DE102017105158A1 - METHOD AND SYSTEM FOR DETERMINING A 3D POSITION OF AN OBJECT IN SPACE - Google Patents

METHOD AND SYSTEM FOR DETERMINING A 3D POSITION OF AN OBJECT IN SPACE Download PDF

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Abstract

Ein Exemplar einer künstlichen Marke ist an einem Objekt, dessen Position bestimmt werden soll, angeordnet. Die künstliche Marke definiert ein nominelles Markenmuster mit nominellen Charakteristika. Das Exemplar verkörpert das nominelle Markenmuster mit individuellen Charakteristika. Ein oder mehrere Bilder des Exemplars werden aufgenommen, während das Exemplar am Objekt angeordnet ist. Eine Bildrepräsentation des Exemplars wird unter Verwendung eines Datensatzes analysiert. Der Datensatz umfasst gemessene Datenwerte, die die individuellen Charakteristika, wie individuell auf dem ersten Exemplar gemessen, repräsentieren. Positionswerte, die eine 3D-Position des Exemplars bezüglich eines Koordinatensystems repräsentieren, werden bestimmt. Eine 3D-Position des Objekts wird basierend auf den Positionswerten des Exemplars bestimmt.A copy of an artificial mark is placed on an object whose position is to be determined. The artificial brand defines a nominal brand pattern with nominal characteristics. The copy embodies the nominal brand pattern with individual characteristics. One or more images of the item are taken while the item is placed on the item. An image representation of the specimen is analyzed using a data set. The dataset includes measured data values representing the individual characteristics as measured individually on the first specimen. Position values representing a 3D position of the specimen relative to a coordinate system are determined. A 3D position of the object is determined based on the position values of the item.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGENCROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS

Die vorliegende Anmeldung ist eine Teilfortführung von US-Serien-Nr. 15/351,679 , eingereicht am 15. November 2016 und beansprucht die Priorität dieser früheren Anmeldung. Der gesamte Inhalt dieser früheren Anmeldung wird hiermit durch Bezugnahme aufgenommen.The present application is a continuation of part of US serial no. 15 / 351.679 , filed on November 15, 2016 and claims the priority of this earlier application. The entire contents of this earlier application are hereby incorporated by reference.

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Bestimmen einer 3D-Position eines Objekts im Raum unter Verwendung einer oder mehrerer künstlicher 2D-Marken mit definierten Merkmalen. Mindestens eine derartige Marke ist auf dem Objekt angeordnet und mindestens ein Bild der künstlichen Marke wird aufgenommen, während die mindestens eine Marke auf dem Objekt angeordnet ist. Durch das Verwenden von Bildverarbeitungstechnologien kann bzw. können eine 3D-Position und in manchen bevorzugten Implementierungen eine 3D-Ausrichtung der künstlichen Marke im Raum bestimmt werden.The present invention relates to a method and system for determining a 3D position of an object in space using one or more artificial 2D marks having defined features. At least one such mark is placed on the object and at least one image of the artificial mark is captured while the at least one mark is disposed on the object. By using image processing technologies, a 3D position and, in some preferred implementations, 3D alignment of the artificial mark in space can be determined.

Das Bestimmen von sowohl einer 3D-Position als auch einer 3D-Ausrichtung eines Objekts im Raum erfordert ein Bestimmen von mindestens 6 Parametern, die 6 Freiheitsgrade (DOF) repräsentieren, nämlich 3 Parameter, die die 3D-Position entlang von drei Achsen eines 3D-Koordinatensystems repräsentieren, und 3 weitere Parameter, die eine Winkelausrichtung um eine jede der drei Achsen repräsentieren. Typischerweise wird das 3D-Koordinatensystem bezüglich der mindestens einen Kamera unter Verwendung einer geeigneten Kalibration definiert. Im Folgenden wird der Ausdruck „6-Freiheitsgrade(DOF)-Pose“ oder einfach „Pose“ verwendet, um sowohl die 3D-Position als auch die 3D-Ausrichtung eines Objekts bezüglich eines definierten Koordinatensystems zu bezeichnen. Obwohl das Bestimmen der 6-DOF-Pose eines Objekts in vielen Situationen erwünscht sein könnte, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Sie kann gleichermaßen in Situationen verwendet werden, wo es ausreicht, eine 3D-Position zu bestimmen.Determining both a 3D position and a 3D orientation of an object in space requires determining at least 6 parameters representing 6 degrees of freedom (DOF), namely 3 parameters representing the 3D position along three axes of a 3D Coordinate system, and 3 other parameters representing angular alignment about each of the three axes. Typically, the 3D coordinate system is defined with respect to the at least one camera using a suitable calibration. In the following, the term "6-DOF pose" or simply "pose" will be used to refer to both the 3D position and the 3D orientation of an object with respect to a defined coordinate system. Although determining the 6-DOF pose of an object could be desirable in many situations, the present invention is not so limited. It can equally be used in situations where it is sufficient to determine a 3D position.

Die internationale Patentanmeldung WO 2016/071227 A1 , die auf den Erwerber der vorliegenden Erfindung übertragen ist, diskutiert einigen Stand der Technik und einen neuen Ansatz zum Bestimmen einer 3D-Position und -ausrichtung eines Objekts im Raum unter Verwendung von künstlichen Marken, die optische Verfolgungsmarken (optical tracking markers) genannt werden. Gemäß dem Stand der Technik weisen die optischen Verfolgungsmarken häufig ein Schwarz-Weiß-Schachbrettmuster (Zielflaggenmuster) auf und der Schwerpunkt der Marke wird typischerweise durch einen Schnittpunkt von geraden Kanten oder Linien, die zwischen abwechselnden hellen und dunklen Gebieten des Musters gebildet werden, definiert. Typischerweise wird der Schwerpunkt der Marke des karierten Musters als eine Position der Marke innerhalb des 2D-Bildes, das durch die Kamera aufgenommen wird, geschätzt. Zum Bestimmen einer 6-DOF-Pose eines Objekts werden mehrere Marken und/oder mehrere Kameras zum Aufnehmen verschiedener Markenbilder benötigt.The international patent application WO 2016/071227 A1 , which is assigned to the assignee of the present invention, discusses some prior art and a new approach to determining a 3D position and orientation of an object in space using artificial markers called optical tracking markers. In the prior art, the optical tracking marks often have a black and white checkerboard pattern (checkered flag pattern) and the center of gravity of the mark is typically defined by an intersection of straight edges or lines formed between alternating bright and dark areas of the pattern. Typically, the center of gravity of the mark of the checkered pattern is estimated as a position of the mark within the 2D image taken by the camera. To determine a 6-DOF pose of an object, multiple markers and / or multiple cameras are needed to capture different mark images.

WO 2016/071227 schlägt im Gegensatz dazu optische Verfolgungsmarken mit einem im Wesentlichen kontinuierlichen oder „analogen“ Muster vor, das Graustufenwerte oder Farbwerte umfasst, die gemäß einer nicht binären Mehrtoncharakteristik entlang eines kreisförmigen Pfads um den Markenschwerpunkt herum variieren. Eine Bildanalyse derartiger Markenmuster ermöglicht eine verbesserte Genauigkeit. Zusätzlich können mehrere Marken individuell codiert und unter Verwendung verschiedener analoger Markenmuster voneinander unterschieden werden. Der Ansatz von WO 2016/071227 hat sich schon als erfolgreich erwiesen, aber es gibt noch Raum zur weiteren Verbesserung. Insbesondere ist es wünschenswert, die Genauigkeit bei der Bestimmung der 3D-Position und/oder der 3D-Ausrichtung eines Objekts, das die Marke trägt, weiter zu verbessern. WO 2016/071227 in contrast proposes optical tracking marks having a substantially continuous or "analog" pattern comprising gray level values or color values which vary along a circular path around the center of mass in accordance with a non-binary multi-tone characteristic. Image analysis of such trademark patterns allows improved accuracy. Additionally, multiple tags may be individually coded and distinguished using different analogous tag patterns. The approach of WO 2016/071227 has already proved successful, but there is room for further improvement. In particular, it is desirable to further improve the accuracy in determining the 3D position and / or the 3D orientation of an object bearing the mark.

Ein Konferenzbeitrag mit dem Titel „Detection and Accurate Localization of Circular Fiducials under Highly Challenging Conditions“ von Lilian Calvet, Pierre Gurdjos, Carsten Griwodz, Simone Gasparini in The IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR), 2016, Seiten 562-570, schlägt optische Verfolgungsmarken (als Fiducials bezeichnet) mit mehreren kreisförmigen konzentrischen Schwarz-Weiß-Ringen vor. In einem akademischen Beispiel wird eine kreisförmige Marke mit einem einzelnen Ring, der mit einer kontinuierlichen Abstufung von Graustufenwerten bemalt ist, untersucht. Es werden Pfade im Markenbild werden so erzeugt, dass die Richtungen von Pfadsegmenten durch Bildgradienten gegeben werden.A conference paper entitled "Detection and Accurate Localization of Circular Fiducials under Highly Challenging Conditions" by Lilian Calvet, Pierre Gurdjos, Carsten Griwodz, Simone Gasparini in The IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR), 2016, pages 562-570 , suggests optical tracking marks (referred to as fiducials) with multiple circular concentric black and white rings. In an academic example, a circular mark is examined with a single ring painted with a continuous gradation of grayscale values. Traces in the mark image are created so that the directions of path segments are given by image gradients.

Die bekannten Verfahren und Systeme lassen weiterhin Raum zur Verbesserung, besonders hinsichtlich Genauigkeit, Detektionsgeschwindigkeit und Implementierungskosten.The known methods and systems still leave room for improvement, especially in terms of accuracy, detection speed and implementation costs.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG BRIEF SUMMARY OF THE INVENTION

Vor diesem Hintergrund besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren und ein System zum Bestimmen einer 3D-Position eines Objekts im Raum mit verbesserter Genauigkeit bereitzustellen.Against this background, an object of the present invention is to provide a method and system for determining a 3D position of an object in space with improved accuracy.

Eine andere Aufgabe besteht darin, ein Verfahren und ein System zum Bestimmen einer 6-DOF-Pose eines Objekts im Raum mit hoher Genauigkeit auf eine kostengünstige Weise bereitzustellen.Another object is to provide a method and system for determining a 6-DOF pose of an object in space with high accuracy in a cost effective manner.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Bestimmen einer 3D-Position eines Objekts im Raum bereitgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Anordnen eines ersten Exemplars einer ersten künstlichen Marke auf dem Objekt, wobei die erste künstliche Marke ein erstes nominelles Markenmuster mit ersten nominellen Charakteristika definiert und wobei das erste Exemplar das erste nominelle Markenmuster mit ersten individuellen Charakteristika verkörpert, Bereitstellen von mindestens einer Kamera und einem Koordinatensystem bezüglich der mindestens einen Kamera, Bereitstellen eines Datensatzes, der das erste Exemplar repräsentiert, Aufnehmen von mindestens einem Bild des ersten Exemplars, das auf dem Objekt angeordnet ist, unter Verwendung der mindestens einen Kamera, wobei das mindestens eine Bild eine Bildrepräsentation des ersten Markenmusters, wie durch das erste Exemplar verkörpert, beinhaltet, Detektieren und Analysieren der Bildrepräsentation unter Verwendung des Datensatzes, wodurch eine Anzahl von ersten Positionswerten, die eine 3D-Position des ersten Exemplars bezüglich des Koordinatensystems repräsentieren, erzeugt wird, und Bestimmen der 3D-Position des Objekts auf Basis der ersten Positionswerte, wobei der Datensatz erste gemessene Datenwerte umfasst, die die ersten individuellen Charakteristika, wie individuell auf dem ersten Exemplar gemessen, repräsentieren.According to a first aspect of the invention, there is provided a method of determining a 3D position of an object in space, the method comprising the steps of: arranging a first copy of a first artificial mark on the object, the first artificial mark representing a first nominal mark pattern defined with first nominal characteristics, and wherein the first instance embodies the first nominal mark pattern having first individual characteristics, providing at least one camera and a coordinate system with respect to the at least one camera, providing a record representative of the first instance, capturing at least one image of the first instance first instance disposed on the object using the at least one camera, wherein the at least one image includes, comprises, detecting and analyzing the image representation, an image representation of the first brand pattern as embodied by the first example using the data set, thereby generating a number of first position values representing a 3D position of the first instance with respect to the coordinate system, and determining the 3D position of the object based on the first position values, the data set including first measured data values which represent the first individual characteristics as measured individually on the first copy.

Gemäß einem anderen Aspekt wird ein Verfahren zum Bestimmen einer 3D-Position eines Objekts im Raum bereitgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Ausstatten des Objekts mit einem optischen Verfolgungsziel, das ein erstes Exemplar einer ersten künstlichen Marke und ein zweites Exemplar einer zweiten künstlichen Marke aufweist, wobei das erste Exemplar ein erstes Markenmuster mit ersten individuellen Charakteristika aufweist und wobei das zweite Exemplar ein zweites Markenmuster mit zweiten individuellen Charakteristika aufweist, Bereitstellen von mindestens einer Kamera und einem Koordinatensystem bezüglich der mindestens einen Kamera, Bereitstellen eines Datensatzes, der das erste Exemplar und das zweite Exemplar repräsentiert, Aufnehmen von mindestens einem Bild des optischen Verfolgungsziels auf dem Objekt unter Verwendung der mindestens einen Kamera, wobei das mindestens eine Bild eine Bildrepräsentation des ersten und des zweiten Exemplars beinhaltet, Detektieren und Analysieren der Bildrepräsentation unter Verwendung des Datensatzes, wodurch eine Anzahl von Zielpositionswerten, die eine 3D-Position des optischen Verfolgungsziels bezüglich des Koordinatensystems repräsentieren, erzeugt wird, und Bestimmen der 3D-Position des Objekts auf Basis der Zielpositionswerte, wobei der Datensatz erste gemessene Datenwerte beinhaltet, die zumindest manche der ersten individuellen Charakteristika, wie individuell auf dem ersten Exemplar gemessen, repräsentieren, und zweite gemessene Datenwerte beinhaltet, die zumindest manche der zweiten individuellen Charakteristika, wie individuell auf dem zweiten Exemplar gemessen, repräsentieren.According to another aspect, there is provided a method of determining a 3D position of an object in space, the method comprising the steps of: providing the object with an optical tracking target comprising a first copy of a first artificial marker and a second copy of a second artificial marker A first mark having a first mark pattern having first individual characteristics, the second mark having a second mark pattern having second individual characteristics, providing at least one camera and a coordinate system with respect to the at least one camera, providing a record containing the first one Example and the second instance, capturing at least one image of the optical tracking target on the object using the at least one camera, the at least one image including an image representation of the first and second instances; Detecting and analyzing the image representation using the data set, thereby generating a number of target position values representing a 3D position of the optical tracking target relative to the coordinate system, and determining the 3D position of the object based on the target position values, wherein the data set is first measured Includes data values representing at least some of the first individual characteristics as measured individually on the first specimen and including second measured data values representing at least some of the second individual characteristics as measured individually on the second specimen.

Gemäß noch einem anderen Aspekt wird ein System zum Bestimmen einer 3D-Position eines Objekts im Raum bereitgestellt, wobei das System ein erstes Exemplar einer ersten künstlichen Marke aufweist, die dazu ausgebildet ist, auf dem Objekt angeordnet zu werden, wobei die erste künstliche Marke ein erstes nominelles Markenmuster mit ersten nominellen Charakteristika definiert und wobei das erste Exemplar das erste nominelle Markenmuster mit ersten individuellen Charakteristika verkörpert, mindestens eine Kamera, ein Koordinatensystem, das bezüglich der mindestens einen Kamera definiert ist, und eine Steuer- und Auswerteeinheit mit einem Prozessor und einem Datenspeicher, wobei der Speicher einen Datensatz speichert, der das erste Exemplar repräsentiert, wobei der Prozessor dazu programmiert ist, mindestens ein Bild des ersten Exemplars, das auf dem Objekt angeordnet ist, unter Verwendung der mindestens einen Kamera aufzunehmen, wobei das mindestens eine Bild eine Bildrepräsentation des ersten Markenmusters, wie durch das erste Exemplar verkörpert, beinhaltet, wobei der Prozessor ferner dazu programmiert ist, die Bildrepräsentation unter Verwendung des Datensatzes aus dem Speicher zu detektieren und zu analysieren, wobei eine Anzahl von ersten Positionswerten, die eine 3D-Position des ersten Exemplars bezüglich des Koordinatensystems repräsentieren, erzeugt wird, und wobei der Prozessor ferner dazu programmiert ist, die 3D-Position des Objekts auf Basis der ersten Positionswerte zu bestimmen, wobei der Datensatz erste gemessene Datenwerte umfasst, die die ersten individuellen Charakteristika, wie individuell auf dem ersten Exemplar gemessen, repräsentieren.In yet another aspect, there is provided a system for determining a 3D position of an object in space, the system comprising a first specimen of a first artificial mark adapted to be disposed on the object, the first artificial mark including defining a first nominal mark pattern having first nominal characteristics, and wherein the first instance embodies the first nominal mark pattern having first individual characteristics, at least one camera, a coordinate system defined with respect to the at least one camera, and a control and evaluation unit having a processor and a A data memory, wherein the memory stores a record representing the first instance, the processor being programmed to capture at least one image of the first copy located on the object using the at least one camera, the at least one image image representation of the first trademark pattern as embodied by the first example, wherein the processor is further programmed to detect and analyze the image representation using the data set from the memory, wherein a number of first position values representing a 3D position of the first Represent examples of the coordinate system, is generated, and wherein the processor is further programmed to determine the 3D position of the object based on the first position values, wherein the data set first measured data values comprising the first individual characteristics, such as individually on the measured first copy.

Vorteilhafterweise werden die neuen Verfahren und das neue System mittels mindestens einer Kamera implementiert, die mit einer Verarbeitungseinheit verbunden ist, in der ein geeignetes Computerprogramm gespeichert ist und ausgeführt wird. Das Computerprogramm ermöglicht der Verarbeitungseinheit, die folgende Funktionalität bereitzustellen: Definieren eines Koordinatensystems bezüglich der mindestens einen Kamera, Aufnehmen von mindestens einem Bild eines ersten Exemplars, das auf dem Objekt angeordnet ist, unter Verwendung der mindestens einen Kamera, wobei das mindestens eine Bild eine Bildrepräsentation eines ersten Markenmusters, wie durch das erste Exemplar verkörpert, beinhaltet, Abrufen eines Datensatzes, der das erste Exemplar repräsentiert, aus einem Speicher, Detektieren und Analysieren der Bildrepräsentation unter Verwendung des Datensatzes, wobei eine Anzahl von ersten Positionswerten, die eine 3D-Position des ersten Exemplars bezüglich des Koordinatensystems repräsentieren, erzeugt wird, und Bestimmen der 3D-Position eines Objekts auf Basis der ersten Positionswerte, wobei der Datensatz erste gemessene Datenwerte umfasst, die erste individuelle Charakteristika, wie individuell auf dem ersten Exemplar gemessen, repräsentieren.Advantageously, the new methods and the new system are implemented by means of at least one camera, which is connected to a processing unit in which a suitable computer program is stored and executed. The computer program allows the processing unit to provide the following functionality: defining a coordinate system with respect to the at least one camera, capturing at least one image of a first instance located on the object using the at least one camera, wherein the at least one image is an image representation of a first trademark pattern, as embodied by the first example, retrieving a data set representing the first instance from a memory, detecting and analyzing the image representation using the data set, wherein a number of first position values representing a 3D position of the image first instance with respect to the coordinate system, and determining the 3D position of an object based on the first position values, the data set including first measured data values, the first individual characteristics as individually on the first instance r measured, represent.

Das neue Verfahren und das neue System setzen also mindestens eine künstliche Marke ein, die auf irgendeine Weise am Objekt angebracht oder auf dem Objekt angeordnet ist. Die künstliche Marke kann ein Ausdruck auf einer Klebefolie sein, die am Objekt angebracht werden kann, oder sie kann auf eine feste Struktur aufgedruckt sein, die einen Teil des Objekts bildet oder am Objekt befestigt ist. Beispielsweise kann die künstliche Marke auf einer Keramikplatte angeordnet sein, die am Objekt befestigt ist.Thus, the new method and the new system employ at least one artificial mark, which is attached in some way to the object or arranged on the object. The artificial mark may be a print on an adhesive sheet that may be attached to the object, or it may be printed on a solid structure that forms part of or is attached to the object. For example, the artificial mark may be disposed on a ceramic plate attached to the object.

Das neue Verfahren und das neue System setzen ferner einen Datensatz ein, der Daten enthält, die individuelle Charakteristika von gerade dem Exemplar der künstlichen Marke beschreiben, die auf dem Objekt angeordnet ist. Falls mehr als ein Exemplar auf dem Objekt angeordnet ist, beschreibt der Datensatz vorzugsweise die individuellen Charakteristika einer entsprechenden Mehrzahl von Markenexemplaren. Der Datensatz kann vorteilhafterweise eine oder mehrere laterale Abmessungen des einen oder der mehreren Markenexemplare beschreiben, wie etwa einen Radius eines kreisförmigen Markenbereichs. Der Datensatz kann auch die Position des einen oder der mehreren Markenexemplare beschreiben, und zwar individuell hinsichtlich eines definierten Bezugspunkts gemessen. Der Datensatz kann ferner geometrische Charakteristika beschreiben, wie etwa eine Kreisform oder Abweichungen von einer gewünschten idealen Kreisform eines kreisförmigen Markenbereichs. Im Allgemeinen enthält der Datensatz Daten, die individuell auf dem individuellen Exemplar oder auf den individuellen Exemplaren der auf dem Objekt verwendeten künstlichen Marken gemessen werden. Daher können das neue Verfahren und das neue System diese spezifischen individuellen Daten vorteilhafterweise berücksichtigen, wenn es zum Bestimmen der Position (oder Pose, die die Position beinhaltet) des Markenexemplars und, darauf basierend, des Objekts kommt. Die Berücksichtigung der individuellen Charakteristika der auf dem Objekt verwendeten Exemplare ermöglicht eine höhere Genauigkeit bei der Positionsbestimmung, da Fehler und/oder Variationen beim Herstellungsprozess des Markenexemplars berücksichtigt werden. Dies ist besonders in Kombination mit dem Ansatz zum Auswerten des Markenbildes nützlich, der weiter unten in Verbindung mit einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben wird.The new method and system also employ a data record containing data describing individual characteristics of just the copy of the artificial tag located on the object. If more than one copy is placed on the object, the record preferably describes the individual characteristics of a corresponding plurality of mark copies. The data set may advantageously describe one or more lateral dimensions of the one or more mark instances, such as a radius of a circular mark area. The data record may also describe the position of the one or more brand copies, measured individually with respect to a defined reference point. The data set may further describe geometric characteristics, such as a circular shape or deviations from a desired ideal circular shape of a circular mark region. Generally, the dataset contains data that is individually measured on the individual specimen or on the individual specimens of the artificial marks used on the object. Therefore, the new method and system may advantageously take into account this specific individual data when it comes to determining the position (or pose that includes the position) of the brand copy and, based thereon, the object. The consideration of the individual characteristics of the specimens used on the object allows a higher accuracy in the position determination, since errors and / or variations in the manufacturing process of the brand copy are taken into account. This is particularly useful in combination with the brand image evaluation approach described below in connection with some preferred embodiments.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung definiert das erste nominelle Markenmuster eine erste laterale Abmessung und die ersten gemessenen Datenwerte repräsentieren die erste laterale Abmessung, wie individuell auf dem ersten Exemplar gemessen.In a preferred embodiment of the invention, the first nominal mark pattern defines a first lateral dimension and the first measured data values represent the first lateral dimension as measured individually on the first specimen.

Eine laterale Abmessung ist eine 1D-Information, die das individuelle Markenexemplar zumindest teilweise charakterisiert. Diese 1 D-Information kann leicht und kostengünstig aus dem durch die Kamera aufgenommenen Markenbild ermittelt werden. Da die Bildrepräsentation der lateralen Abmessung von der Entfernung und dem Blickwinkel der Kamera bezüglich des Markenexemplars abhängt, ist die Auswertung der Bildrepräsentation der gemessenen lateralen Abmessung vorteilhaft zum Bestimmen der Position des Markenexemplars im Raum. Das Ausnutzen einer individuell gemessenen lateralen Markenabmessung hilft vorteilhafterweise, die Genauigkeit beim Positionsbestimmungsprozess zu erhöhen.A lateral dimension is 1D information that at least partially characterizes the individual brand copy. This 1-D information can be easily and inexpensively determined from the brand image taken by the camera. Since the image representation of the lateral dimension depends on the distance and the viewing angle of the camera with respect to the brand copy, the evaluation of the image representation of the measured lateral dimension is advantageous for determining the position of the brand copy in space. Exploiting an individually measured lateral mark dimension advantageously helps to increase accuracy in the positioning process.

In einer weiteren Ausgestaltung ist ein zweites Exemplar einer zweiten künstlichen Marke auf dem Objekt angeordnet, wobei die zweite künstliche Marke ein zweites nominelles Markenmuster mit zweiten nominellen Charakteristika definiert und wobei das zweite Exemplar das zweite nominelle Muster mit zweiten individuellen Charakteristika verkörpert.In another embodiment, a second instance of a second artificial mark is disposed on the object, the second artificial mark defining a second nominal mark pattern having second nominal characteristics, and the second instance representing the second nominal pattern having second individual characteristics.

Diese Ausgestaltung verwendet mindestens zwei Markenexemplare auf dem Objekt und der Datensatz enthält individuelle Exemplardaten für jedes dieser mindestens zwei Markenexemplare. Diese Ausgestaltung liefert mehr reale a-prior-Kenntnisse über das Objekt und dies ermöglicht eine noch höhere Genauigkeit bei der Positionsbestimmung.This embodiment uses at least two brand copies on the object and the record contains individual copy data for each of these at least two brand copies. This embodiment provides more real a-prior knowledge of the object and this allows for even higher accuracy in position determination.

In einer weiteren Ausgestaltung definiert das erste nominelle Markenmuster einen ersten Mittelpunkt, das zweite nominelle Markenmuster definiert einen zweiten Mittelpunkt und die ersten gemessenen Datenwerte repräsentieren ferner eine Position des ersten Mittelpunkts bezüglich des zweiten Mittelpunkts, wie individuell auf dem ersten und dem zweiten Exemplar gemessen.In another embodiment, the first nominal mark pattern defines a first center point, the second nominal mark pattern defines a second center point and the first measured data values further represent a position of the first center with respect to the second center, as measured individually on the first and the second copy.

In dieser Ausgestaltung wird ein vorteilhafter Gebrauch der mindestens zwei Markenexemplare vorgenommen. Insbesondere kann eine relative Position des ersten Markenexemplars, individuell gemessen und im Datensatz bereitgestellt, beim Bestimmen der Objektposition mit hoher Genauigkeit vorteilhaft verwendet werden.In this embodiment, an advantageous use of at least two brand copies is made. In particular, a relative position of the first brand copy, individually measured and provided in the data set, can be advantageously used in determining the object position with high accuracy.

Dies trifft insbesondere zu, wenn das erste Exemplar und das zweite Exemplar fest auf einer gemeinsamen Trägerplatte angeordnet sind, da die gemeinsame Trägerplatte somit als ein Ziel mit bekannten 2D-Informationen dient, die vorteilhaft ausgenutzt werden können.This is especially true when the first copy and the second copy are fixedly mounted on a common support plate, since the common support plate thus serves as a target with known 2D information that can be advantageously exploited.

In einer weiteren Ausgestaltung weist die Trägerplatte mehrere weitere Exemplare von weiteren künstlichen Marken auf, wobei das erste Exemplar, das zweite Exemplar und die mehreren weiteren Exemplare ein definiertes Zielplattenmuster auf der gemeinsamen Trägerplatte bilden. Das Zielplattenmuster kann mehrere Markenexemplare beinhalten, die in manchen Ausführungsbeispielen auf der gemeinsamen Trägerplatte in Spalten und Reihen angeordnet sind. In gegenwärtig bevorzugten Ausführungsbeispielen bilden die mehreren Markenexemplare ein elliptisches oder kreisförmiges Zielplattenmuster. Vorzugsweise sind die mehreren Markenexemplare auf der gemeinsamen Trägerplatte mit einer räumlichen Dichte angeordnet, die so hoch wie möglich ist. Mit anderen Worten sind die mehreren Markenexemplare vorzugsweise auf der gemeinsamen Trägerplatte so nahe wie möglich zueinander, aber weiterhin gegenseitige Abstände, die zum Vermeiden einer Überlappung ausreichen, beibehaltend angeordnet. Vorzugsweise sind die mehreren Markenexemplare mit einem jeweiligen gegenseitigen Zwischenraum von weniger als dem Durchmesser eines Markenexemplars und weiter bevorzugt mit einem jeweiligen gegenseitigen Zwischenraum von weniger als dem Radius eine Markenexemplars angeordnet.In a further embodiment, the carrier plate has a plurality of further copies of further artificial brands, wherein the first copy, the second copy and the several further copies form a defined target plate pattern on the common carrier plate. The target plate pattern may include a plurality of indicia, which in some embodiments are arranged in columns and rows on the common carrier plate. In presently preferred embodiments, the multiple brand copies form an elliptical or circular target plate pattern. Preferably, the plurality of brand copies are arranged on the common carrier plate with a spatial density as high as possible. In other words, preferably, the plurality of marker copies are as close to each other as possible to each other on the common backing plate, but further maintaining mutual distances sufficient to avoid overlapping. Preferably, the plurality of brand copies are arranged with a respective mutual space of less than the diameter of a brand copy, and more preferably with a respective mutual space of less than the radius of a brand copy.

Diese Ausgestaltung liefert eine noch höhere Menge an a-priori-Kenntnissen, nämlich die individuellen Charakteristika mehrerer Markenexemplare und deren gegenseitige Beziehungen. Das Anordnen der Markenexemplare in einem definierten Muster auf einer gemeinsamen Trägerplatte erleichtert die Auswertung der relativen Positionen. Dies kann vorteilhafterweise zum Erzielen einer noch höheren Genauigkeit bei der Positionsbestimmung verwendet werden. Das Anordnen der mehreren Marken in einem elliptischen oder sogar kreisförmigen Muster ermöglicht einen reduzierten Bildverarbeitungsaufwand, da etwaige Drehungen der gemeinsamen Trägerplatte bezüglich des Kamerakoordinatensystems leichter behandelt werden können. Die Menge von zu verarbeitenden Pixeldaten kann vergleichsweise niedrig gehalten werden.This embodiment provides an even higher amount of a-priori knowledge, namely the individual characteristics of several brand copies and their mutual relationships. Arranging the brand copies in a defined pattern on a common carrier plate facilitates the evaluation of the relative positions. This can be advantageously used to achieve even higher accuracy in position determination. Placing the multiple marks in an elliptical or even circular pattern allows for reduced image processing overhead since any rotations of the common backing plate relative to the camera coordinate system can be handled more easily. The amount of pixel data to be processed can be kept relatively low.

In einer weiteren Ausgestaltung unterscheiden sich das erste nominelle Markenmuster und das zweite nominelle Markenmuster voneinander.In a further embodiment, the first nominal brand pattern and the second nominal brand pattern are different from each other.

Diese Ausgestaltung macht es möglich, das erste und das zweite Markenexemplar im Kamerabild leicht zu unterscheiden und hilft somit dabei, das neue System und Verfahren effizienter und genauer zu machen. Wenn mehrere Markenexemplare auf einer gemeinsamen Trägerplatte angeordnet sind, ist es allerdings bevorzugt, dass die Anzahl an verwendeten unterschiedlichen nominellen Markenmustern niedrig gehalten wird. Die mehreren Markenexemplare können vorteilhaft zum Beispiel mehrere erste Markenexemplare beinhalten, die jeweils das erste nominelle Markenmuster aufweisen, und ein einzelnes zweites Markenexemplar, das das zweite nominelle Markenmuster aufweist, welches sich vom ersten nominellen Markenmuster unterscheidet.This configuration makes it possible to easily distinguish the first and second brand copies in the camera image, thus helping to make the new system and method more efficient and accurate. However, if multiple brand copies are arranged on a common carrier plate, it is preferred that the number of different nominal label patterns used be kept low. For example, the plurality of brand copies may advantageously include a plurality of first brand copies each having the first nominal mark pattern, and a single second mark copy having the second nominal mark pattern different from the first nominal mark pattern.

In einer weiteren Ausgestaltung weist das erste nominelle Markenmuster eine erste kreisförmige Kontur mit einem Kreisradius und einem Kreismittelpunkt auf und die ersten individuellen Charakteristika beinhalten den Kreisradius und eine Position des Kreismittelpunkts, wie individuell auf dem ersten Exemplar gemessen.In a further embodiment, the first nominal mark pattern has a first circular contour with a circle radius and a circle center, and the first individual characteristics include the circle radius and a position of the circle center, as measured individually on the first copy.

Diese Ausgestaltung ermöglicht einen sehr vorteilhaften Bildanalyseansatz, der eine 2D-Korrespondenz zwischen der kreisförmigen Kontur des Markenexemplars und ihrer im Allgemeinen elliptischen Repräsentation im Kamerabild aufgrund der perspektivischen Verzerrung ausnutzt. Mit anderen Worten wendet diese Ausgestaltung vorteilhaft eine Korrespondenz zwischen einer 2D-Charakteristik des Markenexemplars und der entsprechenden 2D-Repräsentation im Kamerabild an, während viele Systeme und Verfahren aus dem Stand der Technik nur eine 1 D-Korrespondenz zwischen einem einzelnen Punkt der Marke und ihre entsprechende Repräsentation im Kamerabild ausnutzen. Das Bestimmen und Ausnutzen einer Korrespondenz zwischen 2D-Charakteristika der Marke und dem Markenbild ermöglichen eine höhere Genauigkeit und eine Implementierung mit Platz- und Kostenersparnissen, indem nur eine Marke und eine Kamera verwendet werden.This embodiment enables a very advantageous image analysis approach that exploits 2D correspondence between the circular contour of the brand copy and its generally elliptical representation in the camera image due to the perspective distortion. In other words, this embodiment advantageously applies a correspondence between a 2D characteristic of the brand copy and the corresponding 2D representation in the camera image, while many prior art systems and methods only have 1-D correspondence between a single point of the mark and its exploit appropriate representation in the camera image. Determining and exploiting a correspondence between 2D characteristics of the mark and the mark image allows for greater accuracy and implementation with space and cost savings by using only one mark and one camera.

In einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet das erste nominelle Markenmuster ein Intensitätsprofil, das entlang eines kreisförmigen Pfads um den Kreismittelpunkt herum im Wesentlichen kontinuierlich variiert, wobei das Intensitätsprofil ein erstes charakteristisches Merkmal als Teil der ersten nominellen Charakteristika definiert. In a further embodiment, the first nominal mark pattern includes an intensity profile that varies substantially continuously along a circular path around the center of the circle, the intensity profile defining a first characteristic as part of the first nominal characteristics.

Ein Markenexemplar mit einem derartigen Markenmuster unterscheidet sich von fast allen Marken, die im Stand der Technik vorgeschlagen werden. Während Marken im Stand der Technik typischerweise Binärmuster aufweisen, wie etwa ein Zielflaggenmuster, weist das Markenmuster dieser Ausgestaltung eine im Wesentlichen analoge Beschaffenheit auf. „Im Wesentlichen analog“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das Markenmuster mehrere unterschiedliche Intensitätswerte beinhaltet, die aus einer bestimmten Entfernung durch das menschliche Auge als analog oder zumindest fast analog wahrgenommen werden. In manchen Ausführungsbeispielen beinhaltet das Markenmuster mindestens 25 = 32 unterschiedliche Intensitätswerte. Ein Fachmann wird allerdings erkennen, dass digitale Drucktechnologien eine Art kleines Stufenprofil entlang des kreisförmigen Pfads erzeugen können, was streng genommen nicht wirklich analog ist. In jedem Fall ist das Markenmuster ein Mehrtonmuster und führt daher eine große Menge an Informationen, was sowohl zum individuellen Codieren mehrerer ähnlicher Marken als auch zum Erzielen einer hohen Genauigkeit beim Bestimmen der 6-DOF-Pose der Marke von Vorteil ist. Die Variation des Intensitätsprofils entlang eines kreisförmigen Pfads um den Kreismittelpunkt herum ist zum Bestimmen einer 2D-Korrespondenz zwischen dem Markenexemplar und seiner Repräsentation im Kamerabild von Vorteil.A brand copy with such a trademark differs from almost all brands proposed in the prior art. While prior art markers typically have binary patterns, such as a checkered flag pattern, the mark pattern of this embodiment has a substantially analogous nature. "Substantially analogous" in this context means that the trademark pattern contains several different intensity values, which are perceived by the human eye as analogous or at least almost analogous from a certain distance. In some embodiments, the trademark pattern includes at least 2 5 = 32 different intensity values. One skilled in the art will recognize, however, that digital printing technologies can produce some sort of small step profile along the circular path, which is strictly speaking not really analog. In any case, the trademark pattern is a multi-tone pattern and therefore carries a large amount of information, which is advantageous both for individually encoding multiple similar marks as well as for achieving high accuracy in determining the 6-DOF pose of the mark. Variation of the intensity profile along a circular path around the center of the circle is beneficial for determining 2D correspondence between the brand copy and its representation in the camera image.

In einer weiteren Ausgestaltung ist das Intensitätsprofil entlang eines beliebigen radialen Pfads, der am Kreismittelpunkt anfängt und sich vom Kreismittelpunkt radial nach außen entlang einer definierten Entfernung erstreckt, konstant.In a further embodiment, the intensity profile is constant along an arbitrary radial path which begins at the center of the circle and extends radially outward from the circle center along a defined distance.

Diese Ausgestaltung ist vorteilhaft, da sie eine Bildanalyse erleichtert und auf eine effiziente Weise eine höhere Genauigkeit ermöglicht. In manchen Ausführungsbeispielen ist das Intensitätsprofil entlang eines beliebigen radialen Pfads, der am Kreismittelpunkt anfängt und sich radial nach außen bis zu einem vordefinierten Radius erstreckt, der kleiner als der bekannte Radius der kreisförmigen Kontur ist, konstant. In diesen Ausführungsbeispielen kann das Markenmuster in Unterabschnitte unterteilt sein, die einen Innenkreis und mehrere Außenkreise bilden. Ein Vorteil dieser Ausführungsbeispiele ist die erhöhte Anzahl von Codes, die zum optischen Differenzieren zwischen mehreren Marken verwendet werden kann.This embodiment is advantageous because it facilitates image analysis and enables higher accuracy in an efficient manner. In some embodiments, the intensity profile is constant along any radial path that begins at the center of the circle and extends radially outward to a predefined radius that is less than the known radius of the circular contour. In these embodiments, the mark pattern may be subdivided into subsections that form an inner circle and a plurality of outer circles. An advantage of these embodiments is the increased number of codes that can be used to optically differentiate between multiple tags.

In einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet das erste nominelle Markenmuster ein Intensitätsprofil, das gemäß einer Funktion variiert, die entlang eines kreisförmigen Pfads um den Kreismittelpunkt herum aus einer Linearkombination einer begrenzten Anzahl von sinusförmigen Komponenten resultiert. Vorzugsweise ist die begrenzte Anzahl von sinusförmigen Komponenten weniger als 10, weiter bevorzugt weniger als 5 und noch weiter bevorzugt nicht höher als 3.In another embodiment, the first nominal mark pattern includes an intensity profile that varies according to a function that results along a circular path around the center of the circle from a linear combination of a finite number of sinusoidal components. Preferably, the limited number of sinusoidal components is less than 10, more preferably less than 5, and even more preferably not more than 3.

Gemäß dieser Ausgestaltung umfasst das Markenmuster ein Intensitätsprofil, das mathematisch als Summe einer begrenzten Anzahl von sinusförmigen Komponenten beschrieben werden kann. Insbesondere kann das Intensitätsmuster durch eine Fourier-Reihe mit einer begrenzten Anzahl von sinusförmigen Komponenten beschrieben werden. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine sehr effiziente Bestimmung der Markenpose mit einer besonders hohen Genauigkeit. Diese Ausgestaltung ist zum Erstellen eines charakteristischen Markenmerkmals und zum Bestimmen einer Korrespondenz zwischen dem charakteristischen Markenmerkmal und seiner entsprechenden Bildrepräsentation von Vorteil.According to this embodiment, the brand pattern includes an intensity profile that can be described mathematically as the sum of a limited number of sinusoidal components. In particular, the intensity pattern may be described by a Fourier series with a limited number of sinusoidal components. This embodiment allows a very efficient determination of Markenpose with a particularly high accuracy. This embodiment is advantageous for creating a characteristic mark feature and for determining a correspondence between the characteristic mark feature and its corresponding image representation.

In manchen Ausführungsbeispielen kann das Markenmuster ein Graustufenmuster sein, das eine sehr kostengünstige Implementierung des neuen Systems und Verfahrens ermöglicht. In anderen Ausführungsbeispielen kann das Markenmuster mindestens drei unterschiedliche Farbkomponenten umfassen, was dabei hilft, die Informationsdichte zu erhöhen, was vorteilhaft als weitere Codierungsinformationen verwendet werden könnte.In some embodiments, the trademark pattern may be a grayscale pattern that enables a very cost effective implementation of the new system and method. In other embodiments, the trademark pattern may include at least three different color components, which helps to increase the information density, which could be used to advantage as further coding information.

Selbstverständlich können die oben erwähnten Merkmale und die noch im Folgenden zu erläuternden Merkmale nicht nur in den entsprechenden offenbarten Kombinationen verwendet werden, sondern auch in anderen Kombinationen oder alleine, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.Of course, the features mentioned above and the features to be explained below can be used not only in the corresponding disclosed combinations, but also in other combinations or alone, without departing from the scope of the present invention.

Figurenliste list of figures

Weitere Merkmale und Vorteile werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung ersichtlich. Alle technischen und wissenschaftlichen Ausdrücke besitzen die durch einen Durchschnittsfachmann üblich verstandene Bedeutung, es sei denn, etwas anderes wird definiert. In den Zeichnungen zeigen:

  • 1 eine vereinfachte schematische Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels eines Systems, das das Verfahren implementiert,
  • 2 vier Ausführungsbeispiele von künstlichen Marken, die im Verfahren und im System von 1 vorteilhaft verwendet werden können,
  • 3 ein vereinfachtes Flussdiagramm zum Erläutern eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens,
  • 4 eine vereinfachte Veranschaulichung einer elliptischen Repräsentation einer künstlichen 2D- Marke zum Erläutern eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, das Gradientenvektoren verwendet,
  • 5 vier Bilder zum Erläutern eines vorteilhaften Entrauschungsansatzes gemäß einigen Ausführungsbeispielen,
  • 6 eine vereinfachte Veranschaulichung zum Erläutern von vorteilhaften Ausführungsformen des Verfahrens,
  • 7 Intensitätsprofile einer YYYY Marke und ihrer elliptischen Repräsentation gemäß 6 und
  • 8 ein optisches Verfolgungsziel, das 9 künstliche Marken gemäß einem Ausführungsbeispiel trägt.
Other features and advantages will become apparent from the following detailed description. All technical and scientific terms have the meaning commonly understood by one of ordinary skill in the art, unless otherwise defined. In the drawings show:
  • 1 a simplified schematic illustration of an embodiment of a system implementing the method,
  • 2 four embodiments of artificial brands used in the method and in the system of 1 can be used advantageously
  • 3 a simplified flowchart for explaining an embodiment of the method,
  • 4 5 is a simplified illustration of an elliptical representation of a 2D artificial landmark for explaining a preferred embodiment using gradient vectors;
  • 5 four pictures for explaining an advantageous noise reduction approach according to some embodiments,
  • 6 a simplified illustration for explaining advantageous embodiments of the method,
  • 7 Intensity profiles of a YYYY marker and its elliptic representation according to 6 and
  • 8th an optical tracking target carrying 9 artificial tags according to one embodiment.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMENDESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel des neuen Systems in einer vereinfachten Form dargestellt und wird in seiner Gesamtheit durch die Bezugsnummer 10 bezeichnet. Das System 10 ist zum Detektieren der 6-DOF-Pose einschließlich der 3D-Position eines handbetriebenen Werkzeugs 12 ausgelegt und ausgebildet. Dementsprechend ist das Werkzeug 12 ein Objekt mit einer Position und einer Ausrichtung im Raum, was mittels des Systems 10 bestimmt werden soll. Das System 10 kann Ausführungsbeispiele des neuen Verfahrens implementieren, wie im Folgenden erläutert wird.In 1 an embodiment of the new system is shown in a simplified form and is indicated in its entirety by the reference numeral 10 designated. The system 10 is to detect the 6-DOF pose including the 3D position of a hand-operated tool 12 designed and trained. Accordingly, the tool 12 an object with a position and an orientation in space, which is determined by the system 10 should be determined. The system 10 may implement embodiments of the new method, as explained below.

In diesem Ausführungsbeispiel beinhaltet das Werkzeug 12 einen Griff 14, der durch einen Menschen oder einen (nicht veranschaulichten) Roboter gehalten und betätigt werden kann. Eine Kugel 16 ist an einem distalen Ende des Griffs 14 angeordnet. Am proximalen Ende ist eine Platte angeordnet, die drei künstliche Marken 18a, 18b, 18c führt. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Werkzeug 12 zum Identifizieren von Messpunkten an einem Messobjekt 20, wie etwa einem Autokarosserieteil oder einem beliebigen anderen Messobjekt, ausgelegt und ausgebildet. Dementsprechend können das System 10 und das Werkzeug 12 zusammen eine handbetriebene oder roboterbetriebene Koordinatenmesseinrichtung bilden, die vorteilhaft bei industriellen Metrologieanwendungen verwendet werden kann.In this embodiment, the tool includes 12 a handle 14 which can be held and operated by a human or a robot (not illustrated). A ball 16 is at a distal end of the handle 14 arranged. At the proximal end is a plate arranged, the three artificial marks 18a . 18b . 18c leads. In this embodiment, the tool 12 for identifying measuring points on a measuring object 20 , such as a car body part or any other measurement object, designed and formed. Accordingly, the system can 10 and the tool 12 together form a hand-operated or robot-operated coordinate measuring device that can be advantageously used in industrial metrology applications.

In diesem Ausführungsbeispiel beinhaltet das System 10 drei Kameras 22a, 22b, 22c, die an einer Struktur 24 auf eine derartige Weise angeordnet sind, dass mindestens eine der Kameras 22a, 22b, 22c ein Sichtfeld zum Erfassen von Bildern des Werkzeugs 12 mit den Marken 18a, 18b, 18c hat, während das Werkzeug 12 am Messobjekt 20 verwendet wird. Andere Ausführungsbeispiele können nur eine Kamera 22, zwei Kameras oder eine beliebige andere geeignete Anzahl von Kameras beinhalten. Die Kameras können zum Aufnehmen von Graustufenbildern, Farbbildern, Infrarotbildern oder einer beliebigen geeigneten Kombination davon ausgebildet sein. Die Kameras sind mit einer Steuer- und Auswerteeinheit 26 verbunden, die einen Prozessor 28 und einen Speicher 30 aufweist. Allgemein könnte die Verbindung ein elektrisches und/oder optisches Kabel sein. Zusätzlich oder alternativ dazu könnte bzw. könnten eine oder mehrere Kameras 22 mit der Steuer- und Auswerteeinheit 26 auf eine drahtlose Weise verbunden sein.In this embodiment, the system includes 10 three cameras 22a . 22b . 22c working on a structure 24 are arranged in such a way that at least one of the cameras 22a . 22b . 22c a field of view for capturing images of the tool 12 with the brands 18a . 18b . 18c has while the tool 12 on the test object 20 is used. Other embodiments may only be one camera 22 , two cameras or any other suitable number of cameras. The cameras may be configured to capture grayscale images, color images, infrared images, or any suitable combination thereof. The cameras are equipped with a control and evaluation unit 26 connected to a processor 28 and a memory 30 having. Generally, the connection could be an electrical and / or optical cable. Additionally or alternatively, one or more cameras could or could 22 with the control and evaluation unit 26 be connected in a wireless manner.

Die Steuer- und Auswerteeinheit 26 ist zum Steuern der Kameras und zum Verarbeiten von durch die Kameras bereitgestellte Bilddaten ausgebildet. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Steuer- und Auswerteeinheit 26 zum Bestimmen der 6-DOF-Pose des Werkzeugs 12 gemäß Ausführungsformen des weiter unten erläuterten neuen Verfahrens ausgelegt und ausgebildet. Andere Ausführungsformen können darauf beschränkt sein, die Position eines Objekts im Raum anstatt die gesamte 6-DOF-Pose zu bestimmen.The control and evaluation unit 26 is designed to control the cameras and to process image data provided by the cameras. In this embodiment, the control and evaluation unit 26 to determine the 6-DOF pose of the tool 12 designed and designed according to embodiments of the new method explained below. Other embodiments may be limited to determining the position of an object in space rather than the entire 6-DOF pose.

In manchen Ausführungsbeispielen kann die Steuer- und Auswerteeinheit 26 eine Beleuchtung 32 steuern, die LED-Leuchten oder beliebige andere geeignete Leuchten, die Licht im sichtbaren und/oder Infrarotbereich erzeugen, beinhalten kann. Obwohl eine Beleuchtungssteuerung durch die Steuer- und Auswerteeinheit 26 vorteilhaft ist, könnten andere Ausführungsbeispiele ohne eine dedizierte Beleuchtungssteuerung implementiert werden.In some embodiments, the control and evaluation unit 26 a lighting 32 control the LED lights or any other suitable luminaires that have visible and / or light Generate infrared range can include. Although a lighting control by the control and evaluation unit 26 is advantageous, other embodiments could be implemented without a dedicated lighting control.

In manchen Ausführungsbeispielen ist die Steuer- und Auswerteeinheit 26 ein Allzweckcomputer, wie etwa ein handelsüblicher Personal Computer, der unter WindowsⓇ, Linux, MacOS läuft, und ein Speicher 32 kann ein Computerprogramm speichern, das Programmcode umfasst, der zum Implementieren von Ausführungsformen des neuen Verfahrens in Kombination mit mindestens einer künstlichen Marke und mindestens einer Kamera 22 ausgelegt und ausgebildet ist. Andere Ausführungsformen des neuen Systems können einen Spezialcomputer verwenden, der für die weiter unten beschriebene Steuer- und Auswertetätigkeit optimiert ist. Zusätzlich dazu kann der Speicher 32 einen Datensatz 33 speichern, der individuelle Charakteristika der ausgewählten Exemplare der künstlichen Marken 18a, 18b, 18c beschreibt, die individuell gemessen worden sind. In einigen Ausführungsbeispielen kann der Datensatz 33 auf einem auswechselbaren Datenträger, wie etwa einer SD-Karte, einem Compact-Flash-Laufwerk usw., gespeichert sein. Der (hier nicht dargestellte) auswechselbare Datenträger kann mit den assoziierten Exemplaren von künstlichen Marken gebündelt werden, so dass der Datensatz 33 leicht ausgetauscht werden kann, falls ein Exemplar einer Marke ausgetauscht wird.In some embodiments, the control and evaluation unit 26 a general purpose computer, such as a standard personal computer running WindowsⓇ, Linux, MacOS, and memory 32 may store a computer program comprising program code used to implement embodiments of the new method in combination with at least one artificial tag and at least one camera 22 designed and designed. Other embodiments of the new system may use a special purpose computer optimized for the control and evaluation operation described below. In addition to this, the memory can 32 a record 33 store the individual characteristics of the selected copies of the artificial brands 18a . 18b . 18c describes that have been measured individually. In some embodiments, the record may be 33 on a removable medium, such as an SD card, a compact flash drive, etc. stored. The replaceable volume (not shown) may be bundled with the associated copies of artificial brands so that the record 33 can be easily exchanged if a copy of a brand is exchanged.

Einige Ausführungsbeispiele des neuen Systems und Verfahrens können eine einzelne Marke einsetzen, die am Objekt angebracht ist, was besonders für kleine Objekte mit einer begrenzten Oberfläche von Vorteil ist. Das Verwenden von zwei, drei oder noch mehr Marken ermöglicht jedoch eine verbesserte Genauigkeit und hilft auch dabei, die 6-DOF-Pose eines Objekts unter Umständen zu detektieren und zu verfolgen, bei denen Teile des Objekts vom Kamerasichtfeld verborgen sein könnten.Some embodiments of the new system and method may employ a single tag attached to the object, which is particularly beneficial for small objects with a limited surface area. However, using two, three, or more marks allows for improved accuracy and also helps to detect and track the 6-DOF pose of an object under circumstances where parts of the object may be hidden from the camera's field of view.

2 stellt einige Ausführungsbeispiele von gegenwärtig bevorzugten 2D-Marken dar. Bei der dargestellten Ausführungsform beinhalten die Marken jeweils einen inneren Markenbereich 34 und einen äußeren Hintergrundbereich 36, obwohl andere Ausführungsbeispiele ohne den äußeren Hintergrundbereich 36 implementiert werden könnten. Obwohl der innere Markenbereich 34 und der äußere Hintergrundbereich 36 bei den bevorzugten Ausführungsformen vorteilhafterweise eine kreisförmige Kontur 38 aufweisen, könnten der innere Markenbereich 34 und/oder der äußere Hintergrundbereich 36 eine andere Form aufweisen. Der innere Markenbereich 34 und/oder der äußere Hintergrundbereich 36 könnten zum Beispiel ein Viereck, ein Dreieck oder ein Sechseck sein oder können eine beliebige andere Form aufweisen. Bei bevorzugten Ausführungsformen weist die kreisförmige Kontur 38 eine definierte laterale Abmessung, wie etwa einen Radius R (vgl. 6), auf und definiert einen Kreismittelpunkt 40. 2 illustrates some embodiments of presently preferred 2D tags. In the illustrated embodiment, the tags each include an inner tag area 34 and an outer background area 36 although other embodiments without the outer background area 36 could be implemented. Although the inner brand area 34 and the outer background area 36 in the preferred embodiments advantageously a circular contour 38 could have the inner brand area 34 and / or the outer background area 36 have a different shape. The inner brand area 34 and / or the outer background area 36 For example, they could be a quadrilateral, a triangle, or a hexagon, or could be any other shape. In preferred embodiments, the circular contour 38 a defined lateral dimension, such as a radius R (cf. 6 ), and defines a circle center 40 ,

In den bevorzugten Ausführungsformen beinhaltet der innere Markenbereich 34 ein Markenmuster 42 mit einem Intensitätsprofil, das entlang eines kreisförmigen Pfads 44 um den Kreismittelpunkt 40 herum weitgehend kontinuierlich variiert. Dementsprechend kann das Markenmuster 42 als analog oder fast analog wahrgenommen werden, obwohl das Markenmuster 42 aus mehreren Punkten oder Pixeln erzeugt sein kann. In manchen bevorzugten Ausführungsformen ist das Intensitätsprofil entlang eines beliebigen radialen Pfads 46, der am Kreismittelpunkt anfängt und sich radial nach außen erstreckt (vgl. 2c), konstant. Wie man in 2d sehen kann, kann der innere Markenbereich 34 mehrere Markenmuster beinhalten, die relativ zueinander konzentrisch angeordnet sind.In the preferred embodiments, the inner brand area includes 34 a brand name 42 with an intensity profile running along a circular path 44 around the center of the circle 40 varied largely continuously. Accordingly, the brand pattern 42 be perceived as analog or almost analog, although the trademark design 42 can be generated from multiple points or pixels. In some preferred embodiments, the intensity profile is along any radial path 46 , which begins at the center of the circle and extends radially outward (see. 2c ), constant. How to get in 2d can see the inner brand area 34 include several brand patterns which are arranged concentrically relative to each other.

In manchen bevorzugten Ausführungsformen variiert das Intensitätsprofil entlang des kreisförmigen Pfads 44 gemäß einer Funktion, die aus einer Linearkombination einer begrenzten Anzahl von sinusförmigen Komponenten resultiert. Beispielsweise stellt 6 eine Marke mit einem Intensitätsprofil dar, das entlang eines kreisförmigen Pfads 44 gemäß einer Funktion variiert, die in 7a dargestellt ist. Unterschiedliche Intensitätsprofile für unterschiedliche Marken können als individuelle Codes verwendet werden, die ermöglichen, individuelle Marken bei der Bildanalyseverarbeitung voneinander zu unterscheiden. Vorzugsweise beträgt die Anzahl sinusförmiger Komponenten 1, 2 oder 3, d.h. weniger als 4.In some preferred embodiments, the intensity profile varies along the circular path 44 according to a function resulting from a linear combination of a limited number of sinusoidal components. For example 6 a mark with an intensity profile that runs along a circular path 44 varies according to a function that in 7a is shown. Different intensity profiles for different brands can be used as individual codes that allow individual brands to be distinguished in image analysis processing. Preferably, the number of sinusoidal components is 1 . 2 or 3 ie less than 4.

8 stellt ein Ausführungsbeispiel einer Zielplatte dar, die 9 künstliche Marken aufweist, welche auf einer gemeinsamen Trägerplatte 47 in Spalten und Reihen angeordnet sind. Der Einfachheit halber werden die Bezugsnummern 18a, 18b, 18c wiederum verwendet, um 3 beispielhafte Marken aus den mehreren Marken zu bezeichnen. Die Trägerplatte 47 kann aus Metall, Keramik und/oder einem beliebigen synthetischen Material gefertigt sein. In manchen Ausführungsbeispielen kann die gemeinsame Trägerplatte 47 ein faserverstärktes Kunststoffmaterial und/oder ein Keramikmaterial mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten sein. Die Marken können direkt auf die gemeinsame Trägerplatte 47 gedruckt sein. Jede Marke kann ein Intensitätsprofil aufweisen, das sich von den jeweiligen Intensitätsprofilen der anderen Marken unterscheidet, so dass jede Marke individuell codiert ist. Dementsprechend weist jede Marke 18a, 18b, 18c ein individuelles (nominelles) Markenmuster 42 auf, das sich in diesem Ausführungsbeispiel von den (nominellen) Markenmustern der anderen Marken auf der Trägerplatte 47 unterscheidet. Die nominellen Markenmuster definieren jeweils nominelle Charakteristika für jede Marke. Andere Ausführungsformen können mehrere Marken umfassen, die identische nominelle Markenmuster aufweisen, aber selbst in diesem Fall werden die individuellen Positionen der entsprechenden Markenmittelpunkte unterschiedlich sein. 8th illustrates an embodiment of a target plate having 9 artificial marks, which on a common support plate 47 arranged in columns and rows. For simplicity, the reference numbers 18a . 18b . 18c used again to designate 3 example brands from the several brands. The carrier plate 47 can be made of metal, ceramic and / or any synthetic material. In some embodiments, the common carrier plate 47 be a fiber reinforced plastic material and / or a ceramic material with a low coefficient of thermal expansion. The marks can be printed directly on the common carrier plate 47. Each brand may have an intensity profile that differs from the respective intensity profiles of the other brands, so each brand is coded individually. Accordingly, every brand 18a . 18b . 18c an individual ( nominal) trademark 42 in this embodiment of the (nominal) brand patterns of the other brands on the support plate 47 different. The nominal brand patterns each define nominal characteristics for each brand. Other embodiments may include a plurality of marks having identical nominal mark patterns, but even in this case, the individual positions of the corresponding mark centers will be different.

Darüber hinaus kann jede Marke 18a, 18b, 18c ein individuelles Markenmuster 42a, 42b, 42c aufweisen, das sich vom entsprechenden nominellen Markenmuster infolge von Variationen, die beim Herstellungsprozess auftraten, und/oder infolge von Variationen in der Temperatur, der Luftfeuchtigkeit oder anderer Umweltfaktoren unterscheidet. Daher wird jede Marke 18a, 18b, 18c auf der Trägerplatte 47 hier als ein individuelles Exemplar eines entsprechenden Markentyps mit vordefinierten nominellen Charakteristika angesehen. Dementsprechend kann jedes Markenexemplar 18a, 18b, 18c individuelle Charakteristika aufweisen, die sich von den nominellen Charakteristika, die durch das entsprechende nominelle Markenmuster definiert werden, unterscheiden können. Beispielshalber kann das Exemplar der Marke 18a eine laterale Abmessung 48a aufweisen, die sich leicht von einer entsprechenden nominellen Abmessung 2R unterscheidet, wobei R der nominelle Radius des kreisförmigen inneren Markenbereichs ist. Darüber hinaus kann der relative Abstand D vom Mittelpunkt 40a des Markenexemplars 18a zum Mittelpunkt 40b des Markenexemplars 18b von einem nominellen relativen Abstand abweichen. Eine Ausrichtung jedes entsprechenden Markenmusters 42a, 42b, 42c um den jeweiligen Mittelpunkt herum kann auch für jedes Exemplar auf der Trägerplatte 47 variieren. Daher werden in den bevorzugten Ausführungsformen individuelle Charakteristika der Markenexemplare individuell gemessen und als Teil des Datensatzes 33 für eine anschließende Bildanalyse bereitgestellt.In addition, any brand 18a . 18b . 18c an individual brand pattern 42a . 42b , 42c, which differs from the corresponding nominal mark pattern due to variations in the manufacturing process and / or variations in temperature, humidity or other environmental factors. Therefore, every brand 18a . 18b . 18c on the carrier plate 47 here as an individual copy of a corresponding brand type with predefined nominal characteristics. Accordingly, each brand copy 18a . 18b . 18c have individual characteristics that may differ from the nominal characteristics defined by the corresponding nominal brand design. By way of example, the copy of the mark 18a a lateral dimension 48a slightly different from a corresponding nominal dimension 2R where R is the nominal radius of the circular inner band of marks. In addition, the relative distance D from the center point 40a of the brand copy 18a to the center 40b of the brand copy 18b deviate from a nominal relative distance. An alignment of each corresponding brand pattern 42a . 42b . 42c around the respective center around can also for each copy on the carrier plate 47 vary. Therefore, in the preferred embodiments, individual characteristics of the brand copies are measured individually and as part of the record 33 provided for subsequent image analysis.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel des neuen Verfahrens erläutert. Gemäß den Schritten 49, 49' werden die ausgewählten Markenexemplare auf der gemeinsamen Trägerplatte („Ziel“) individuell gemessen, bevor und/oder nachdem das Ziel, das die Markenexemplare umfasst, im Schritt 50 am Objekt angebracht wird. Gemäß Schritt 52 wird ein Bild des Ziels einschließlich der Markenexemplare unter Verwendung von mindestens einer der Kameras 22a, 22b, 22c aufgenommen, während das Ziel am Objekt angebracht ist. Das aufgenommene Bild wird dem Prozessor 28 für eine Bildanalyse und eine Bestimmung der Position/Pose des Ziels im Raum zugeführt. Das Ziel kann eine beliebige Position entlang der x-, y-, z-Achsen eines Koordinatensystems 53 aufweisen und es kann um einen Drehwinkel α, β, γ um eine jede der x-, y-, z-Achsen (vgl. 1) gedreht sein.In the following, an embodiment of the new method will be explained. According to the steps 49 . 49 ' the selected brand copies are individually measured on the common backing plate ("target") before and / or after the target comprising the brand copies in step 50 is attached to the object. According to step 52 will take a picture of the target including the brand copies using at least one of the cameras 22a . 22b . 22c recorded while the target is attached to the object. The captured image becomes the processor 28 for an image analysis and a determination of the position / pose of the target in space. The target can be any position along the x, y, z axes of a coordinate system 53 and it can be rotated by an angle of rotation α, β, γ about each of the x, y, z axes (cf. 1 ) be turned.

Die Position des Ziels bezüglich des Koordinatensystems 53 wird durch Auswerten von mindestens einem Exemplar auf dem Ziel bestimmt. Eine Box 54, die mit einer gestrichelten Linie dargestellt ist, stellt bevorzugte Schritte zum Auswerten des mindestens einen Exemplars dar. Dementsprechend können die Schritte in der Box 54 für ein oder mehrere Exemplare 18a, 18b, 18c ausgeführt werden. Das Ausführen der Schritte für mehr als ein Exemplar ist von Vorteil, da dies hilft, die Genauigkeit bei der Bestimmung der Position des Ziels und folglich des Objekts zu erhöhen.The position of the target with respect to the coordinate system 53 is determined by evaluating at least one specimen on the target. A box 54 , which is shown with a dashed line, represents preferred steps for evaluating the at least one item. Accordingly, the steps in the box 54 for one or more copies 18a . 18b . 18c be executed. Performing the steps for more than one copy is beneficial because it helps to increase the accuracy in determining the position of the target, and thus the object.

Gemäß Schritt 55 wird eine elliptische Repräsentation der kreisförmigen Kontur 38 eines ausgewählten Exemplars im Bild detektiert. Wie der Fachmann leicht verstehen wird und wie in 6 veranschaulicht ist, wird die kreisförmige Markenkontur 38 aufgrund einer perspektivischen Verzerrung typischerweise als Ellipse 56 erscheinen. Die elliptische Repräsentation oder Ellipse 56 kann durch Ellipsenparameter charakterisiert werden, nämlich eine Halb-Hauptachse 58, eine Halb-Nebenachse 60, einen Ellipsenmittelpunkt 62, der durch zwei Koordinaten xe, ye in einem 2D-Bildkoordinatensystem definiert ist, und durch eine Ellipsenausrichtung 64, die vorteilhafterweise als Winkel zwischen einer ersten Achse, die kolinear mit der Halb-Hauptachse ist, und einer zweiten Achse des Bildkoordinatensystems definiert sein kann. Die Halb-Hauptachse 58, die Halb-Nebenachse 60, die 2D-Koordinaten des Ellipsenmittelpunkts 62 und die Ellipsenausrichtung 64 definieren einen ersten, einen zweiten, einen dritten, einen vierten und einen fünften Parameter, die die elliptische Repräsentation des kreisförmigen Markenexemplars im Kamerabild charakterisieren.According to step 55 becomes an elliptic representation of the circular contour 38 of a selected specimen detected in the image. As the expert will easily understand and as in 6 is illustrated, the circular brand contour 38 due to a perspective distortion typically as an ellipse 56 appear. The elliptical representation or ellipse 56 can be characterized by ellipse parameters, namely a half-major axis 58 , a semi-minor axis 60 , an ellipse center 62 defined by two coordinates x e , y e in a 2D image coordinate system, and an ellipse orientation 64 which may advantageously be defined as an angle between a first axis co-linear with the half-major axis and a second axis of the image coordinate system. The half-main axis 58 , the half-minor axis 60 , the 2D coordinates of the ellipse midpoint 62 and the ellipse orientation 64 define first, second, third, fourth and fifth parameters that characterize the elliptical representation of the circular mark copy in the camera image.

Gemäß Schritt 66 werden erste Bildwerte von der elliptischen Repräsentation des inneren Markenbereichs 34 im Kamerabild abgetastet. 4 stellt eine vereinfachte Veranschaulichung der elliptischen Repräsentation 56 und der abgetasteten Bildwerte 68 dar. Gemäß Schritt 70 wird ein Gradientenvektor 72 für jeden abgetasteten ersten Bildwert 68 bestimmt. Der Gradientenvektor 72 repräsentiert die Richtung der maximalen Änderung im Intensitätsprofil am entsprechenden Bildwert 68. In den Ausführungsbeispielen variiert das Intensitätsprofil des inneren Markenbereichs 34 entlang eines jeden radialen Pfads, der am Kreismittelpunkt anfängt und sich radial nach außen erstreckt, nicht. Daher zeigt der Gradientenvektor 72 vorteilhafterweise in eine Richtung, die orthogonal zu der radialen Linie ist, wie in 4 angezeigt wird. Dementsprechend können orthogonale Geraden 74 in Schritt 76 für jeden der abgetasteten ersten Bildwerte 68 bestimmt werden, wobei sich jede orthogonale Gerade 74 in eine radiale Richtung erstreckt und bezüglich eines Gradientenvektors 72 orthogonal ist. Die mehreren orthogonalen Linien 74 definieren einen Schnittpunkt 78, der gemäß Schritt 80 in manchen bevorzugten Ausführungsformen als relevanter Ellipsenmittelpunkt verwendet werden kann. In der Praxis könnte es passieren, dass die mehreren orthogonalen Linien 74 nicht an einem Schnittpunkt 78 konvergieren. Daher kann der relevante Ellipsenmittelpunkt als Punkt bestimmt werden, der die Summe von Abständen zu jeder der orthogonalen Linien 74 minimiert.According to step 66 become first image values of the elliptical representation of the inner mark region 34 sampled in the camera image. 4 provides a simplified illustration of the elliptical representation 56 and the sampled image values 68 dar. According to step 70 becomes a gradient vector 72 for each sampled first image value 68 certainly. The gradient vector 72 represents the direction of the maximum change in the intensity profile at the corresponding image value 68 , In the embodiments, the intensity profile of the inner mark region varies 34 not along any radial path beginning at the center of the circle and extending radially outwards. Therefore, the gradient vector shows 72 advantageously in a direction orthogonal to the radial line as in 4 is shown. Accordingly, orthogonal lines 74 may be in step 76 for each of the sampled first image values 68 be determined, where every orthogonal line 74 extends in a radial direction and with respect to a gradient vector 72 is orthogonal. The several orthogonal lines 74 define an intersection 78 that according to step 80 In some preferred embodiments, it may be used as a relevant ellipse center. In practice, it could happen that the several orthogonal lines 74 not at an intersection 78 converge. Therefore, the relevant ellipse center can be determined as a point that is the sum of distances to each of the orthogonal lines 74 minimized.

Es sei angemerkt, dass der Schnittpunkt 78 leicht vom „wahren“ Ellipsenmittelpunkt 62 der Ellipse 56 verschoben sein könnte. Daher kann der Schnittpunkt 78 in manchen bevorzugten Ausführungsformen unterschiedlich interpretiert und vorteilhaft als Bildrepräsentation eines kreisförmigen Markenmittelpunkts 40 verwendet werden, während der „wahre“ Ellipsenmittelpunkt 62 als zusätzliche Information bestimmt wird, um eine noch höhere Genauigkeit zu erzielen, wie weiter unten erläutert wird. Der Ellipsenmittelpunkt 62 kann unter Verwendung herkömmlicher Bildverarbeitungstechniken bestimmt werden. Der Ellipsenmittelpunkt 62 kann zum Beispiel als Schnittpunkt zwischen der Halb-Hauptachse 58 und der Halb-Nebenachse 60 bestimmt werden, wobei diese beiden Ellipsenachsen unter Verwendung von Bildanalysetechniken detektiert werden.It should be noted that the intersection 78 slightly from the "true" ellipse center 62 the ellipse 56 could be postponed. Therefore, the intersection point 78 in some preferred embodiments interpreted differently and advantageously as an image representation of a circular median mark 40 while the "true" ellipse center 62 is determined as additional information to achieve even higher accuracy, as explained below. The ellipse center 62 can be determined using conventional image processing techniques. The ellipse center 62 may, for example, as an intersection between the semi-major axis 58 and the semi-minor axis 60 are determined, these two ellipse axes being detected using image analysis techniques.

Die ersten Bildwerte werden vorzugsweise mit einem ausreichenden Abstand vom erwarteten Schnittpunkt 78 innerhalb des inneren Markenbereichs 34 ausgewählt. Die Bildwerte könnten auf verschiedenste Weise ausgewählt werden. Die Bildwerte können zum Beispiel so ausgewählt werden, dass sie den erwarteten Schnittpunkt auf eine im Wesentlichen einheitliche Weise umgeben. Zusätzlich oder alternativ dazu könnten die ersten Bildwerte zufällig ausgewählt werden und/oder Beispielbildwerte könnten selektiv in Bereiche platziert werden, wo sich das Intensitätsprofil besonders stark ändert.The first image values are preferably at a sufficient distance from the expected intersection 78 within the inner brand area 34 selected. The image values could be selected in a variety of ways. For example, the image values may be selected to surround the expected intersection in a substantially uniform manner. Additionally or alternatively, the first image values could be randomly selected and / or example image values could be selectively placed in areas where the intensity profile changes significantly.

In manchen bevorzugten Ausführungsformen können die orthogonalen Linien 74 in Schritt 80 gewichtet werden. Falls zum Beispiel ein Gradientenvektor, der einer jeweiligen Linie 74 entspricht, recht schwach ist (was bedeutet, dass sich das Intensitätsprofil am ausgewählten Bildwert bezüglich angrenzender Bildwerte nicht sehr stark ändert), könnte die entsprechende Linie 74 mit einem kleineren Gewicht im Vergleich zu anderen orthogonalen Linien, die mit stärkeren Gradientenvektoren assoziiert sind, bearbeitet werden.In some preferred embodiments, the orthogonal lines 74 weighted in step 80. For example, if a gradient vector corresponding to a respective line 74 is quite weak (meaning that the intensity profile at the selected image value does not change very much relative to adjacent image values), the corresponding line 74 with a smaller weight compared to other orthogonal lines associated with stronger gradient vectors.

Gemäß Schritt 82 und unter Bezugnahme auf 5 kann ein Polarkoordinatenbild 84 mittels einer Koordinatentransformation von kartesischen Koordinaten in Polarkoordinaten, die am Markenbild 86 angewendet wird, bestimmt werden. Vorzugsweise kann der relevante Ellipsenmittelpunkt 78 oder der wahre Ellipsenmittelpunkt 62 als Polarkoordinatenursprung 88 verwendet werden. Gemäß Schritt 90 wird ein Tiefpassfilter am Polarkoordinatenbild 84 angewendet, um Hochfrequenzrauschen zu entfernen. Infolgedessen wird ein entrauschtes Bild 92 im gleichen Polarkoordinatensystem erhalten. Gemäß Schritt 94 wird das gefilterte Polarkoordinatenbild 92 zurück in kartesische Koordinaten transferiert und ein entsprechend entrauschtes kartesisches Bild 96 wird erhalten.According to step 82 and with reference to 5 can be a polar coordinate image 84 by means of a coordinate transformation of Cartesian coordinates in polar co-ordinates, on the brand image 86 is determined to be determined. Preferably, the relevant ellipse center 78 or the true ellipse center 62 as polar coordinate origin 88 be used. According to step 90 becomes a low-pass filter on the polar coordinate image 84 applied to remove high-frequency noise. As a result, a picture becomes entranced 92 obtained in the same polar coordinate system. According to step 94 becomes the filtered polar coordinate image 92 transferred back to Cartesian coordinates and a correspondingly noisy Cartesian image 96 will be received.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein maximaler Radialabstand vom Ellipsenmittelpunkt 62 oder alternativ dazu vom Schnittpunkt 78 definiert, um einen Bildbereich für die weitere Bildanalyse auszuwählen. Der Radialabstand kann als maximaler Koordinatenwert im Polarkoordinatensystem angenommen werden. Daraufhin kann eine gewünschte Auflösung für das Polarkoordinatenbild definiert werden und eine Anzahl Nr von Beispielwerten entlang der r-Achse und eine Anzahl Nθ von Beispielwerten entlang der θ-Achse werden ausgewählt. Wenn der Schnittpunkt 78 (oder der Ellipsenmittelpunkt 62) als Ursprung des Polarkoordinatensystems definiert ist, wird die Koordinatentransformation von den kartesischen Koordinaten zu den Polarkoordinaten gemäß Folgendem ausgeführt: x r , θ = x 0 + r cos θ

Figure DE102017105158A1_0001
y r , θ = y 0 + r sin θ ,
Figure DE102017105158A1_0002
wobei x0, y0 die Koordinaten des Ellipsenmittelpunkts 78 sind und wobei r = r max n r /N r ,
Figure DE102017105158A1_0003
θ = 2 π n θ /N θ
Figure DE102017105158A1_0004
wobei nr = 0,1,2,... Nr-1 und nθ = 0,1,2,... Nθ-1.In a preferred embodiment, a maximum radial distance from the ellipse center 62 or alternatively from the intersection 78 defined to select an image area for further image analysis. The radial distance can be assumed as the maximum coordinate value in the polar coordinate system. Then, a desired resolution for the polar coordinate image can be defined, and a number N r of example values along the r-axis and a number N θ of example values along the θ-axis are selected. When the intersection 78 (or the ellipse center 62) is defined as the origin of the polar coordinate system, the coordinate transformation from the Cartesian coordinates to the polar coordinates is performed according to: x r . θ = x 0 + r cos θ
Figure DE102017105158A1_0001
y r . θ = y 0 + r sin θ .
Figure DE102017105158A1_0002
where x 0 , y 0 are the coordinates of the ellipse midpoint 78 are and where r = r Max n r / N r .
Figure DE102017105158A1_0003
θ = 2 π n θ / N θ
Figure DE102017105158A1_0004
where n r = 0,1,2, ... N r-1 and n θ = 0,1,2, ... N θ-1 .

Bei bevorzugten Ausführungsformen werden die Bildintensitätswerte vom ursprünglichen kartesischen Bild interpoliert, um die jeweiligen Bildwerte des Polarkoordinatenbildes 84 zu erhalten, zum Beispiel unter Verwendung eines bilinearen Interpolationsalgorithmus. Daraufhin wird ein Tiefpassfilterungsschritt 90 ausgeführt. Ein beliebiger geeigneter standardmäßiger Digitalfilteralgorithmus könnte hier verwendet werden. Danach wird das entrauschte Polarkoordinatenbild 92 in kartesische Koordinaten zurücktransformiert, wobei individuelle Bildwerte des entrauschten kartesischen Bildes 96 wieder durch eine Interpolation aus den jeweiligen Bildwerten des Bildes 92 bestimmt werden.In preferred embodiments, the image intensity values are interpolated from the original Cartesian image to the respective image values of the polar coordinate image 84 for example, using a bilinear interpolation algorithm. Subsequently, a low-pass filtering step 90 executed. Any suitable standard digital filter algorithm could be used here. After that, the depleted polar coordinate image becomes 92 transformed back into Cartesian coordinates, with individual image values of the undrawn Cartesian image 96 again by interpolation from the respective image values of the image 92 be determined.

In manchen Ausführungsbeispielen könnte das ursprüngliche Bild 86 vor der Polarkoordinatentransformation überabgetastet werden.In some embodiments, the original image could be 86 be oversampled before the polar coordinate transformation.

Gemäß Schritt 98 werden in bevorzugten Ausführungsbeispielen dann zweite Bildwerte aus dem entrauschten Bild 96 abgetastet. Vorzugsweise werden die zweiten Bildwerte entlang eines elliptischen Pfads um den Schnittpunkt 78 herum und/oder entlang eines elliptischen Pfads um den Ellipsenmittelpunkt 62 herum abgetastet, um eine Transferfunktion zu bestimmen, die das Markenmuster 42 zu einem jeweiligen Bildmuster 100 in der elliptischen Repräsentation (vgl. 6) in Beziehung setzt,.According to step 98 In preferred embodiments, second image values are then obtained from the noise-removed image 96 sampled. Preferably, the second image values will be along an elliptical path around the intersection 78 around and / or along an elliptical path around the ellipse center 62 sampled around to determine a transfer function that the brand pattern 42 to a respective image pattern 100 in the elliptic representation (cf. 6 ).

Durch Vergleichen des abgetasteten Bildmusters 100 mit einem bekannten Markenmuster 42 ist es möglich, eine Transferfunktion zu bestimmen, die diese beiden Muster in Beziehung setzt. Beispielshalber wird auf 7 Bezug genommen. 7a) stellt ein Intensitätsprofil 102 entlang eines kreisförmigen Pfads um den Kreismittelpunkt 40 herum dar. 7b) stellt ein Intensitätsprofil 104 entlang eines entsprechenden Pfads um den Ellipsenmittelpunkt 62 herum oder vorzugsweise um den relevanten Schnittpunkt 78 herum dar. Wie man erkennen kann, ähneln sich die beiden Intensitätsprofile 102, 104, sind aber nicht identisch. Tatsächlich ist das Intensitätsprofil 104 eine aufgrund der perspektivischen Projektion verzerrte Version des Intensitätsprofils 102. Die Intensitätsprofile 102, 104 stehen mathematisch gesehen im Allgemeinen folgenderweise in Beziehung: f 2 ( φ ) = f 1 ( φ + Δ ( φ ) ) ,

Figure DE102017105158A1_0005
wobei Δφ(φ) eine nichtlineare Funktion ist, die die Verzerrung repräsentiert. In manchen bevorzugten Ausführungsformen wird die Funktion Δφ(φ) durch eine Fourier-Reihe approximiert: Δφ ( φ ) = a 0 + a 1 cos ( φ ) + a 2 cos ( 2 φ ) + + a N cos ( N φ ) + b 1 sin ( φ ) + + b n sin ( N φ ) .
Figure DE102017105158A1_0006
By comparing the scanned image pattern 100 with a known brand pattern 42, it is possible to determine a transfer function relating these two patterns. For the sake of example 7 Referenced. 7a ) provides an intensity profile 102 along a circular path around the center of the circle 40 around. 7b ) provides an intensity profile 104 along a corresponding path around the ellipse center 62 around or preferably around the relevant intersection 78 As you can see, the two intensity profiles are similar 102 . 104 but are not identical. In fact, the intensity profile is 104 a distorted version of the intensity profile due to the perspective projection 102 , The intensity profiles 102 . 104 are mathematically generally related as follows: f 2 ( φ ) = f 1 ( φ + Δ ( φ ) ) .
Figure DE102017105158A1_0005
where Δφ (φ) is a non-linear function representing the distortion. In some preferred embodiments, the function Δφ (φ) is approximated by a Fourier series: Δφ ( φ ) = a 0 + a 1 cos ( φ ) + a 2 cos ( 2 φ ) + ... + a N cos ( N φ ) + b 1 sin ( φ ) + ... + b n sin ( N φ ) ,
Figure DE102017105158A1_0006

Die Fourier-Reihen-Koeffizienten können bestimmt werden, indem ein Satz von nichtlinearen Gleichungen gelöst wird: f 2 ( φ m ) f 1 ( φ m + Δφ ( φ m ) ) = 0

Figure DE102017105158A1_0007
für m = 1, 2, ..., N, wobei N die Anzahl von abgetasteten Werten ist.The Fourier series coefficients can be determined by solving a set of nonlinear equations: f 2 ( φ m ) - f 1 ( φ m + Δφ ( φ m ) ) = 0
Figure DE102017105158A1_0007
for m = 1, 2, ..., N, where N is the number of sampled values.

7d) veranschaulicht die Phasendifferenz zwischen den Intensitätsprofilen 102, 104, die aus der perspektivischen Projektion resultiert. 7d ) illustrates the phase difference between the intensity profiles 102 . 104 that results from the perspective projection.

Daher kann eine Merkmalstransferfunktion gemäß Schritt 106 bestimmt werden, um die Beziehung zwischen dem Markenmuster 42 und dem Bildmuster 100 zu erstellen. In manchen bevorzugten Ausführungsformen wird die Merkmalstransferfunktion zum Bestimmen einer bestimmten Korrespondenz zwischen einem ausgewählten Markenmerkmal und seiner Bildrepräsentation verwendet. Beispielsweise stellt 6 das Markenmuster 42 mit einem charakteristischen Merkmal 108 in Form einer Phase φm0 der radialen Linie 110 mit den höchsten Intensitätswerten im Markenmuster dar. Die entsprechende Repräsentation 112 im Kamerabild kann vorteilhafterweise zum Bestimmen der Korrespondenz zwischen dem Markenmerkmal 108 und seiner Bildrepräsentation 112 verwendet werden.Therefore, a feature transfer function according to step 106 be determined to the relationship between the brand pattern 42 and the picture pattern 100 to create. In some preferred embodiments, the feature transfer function is used to determine a particular correspondence between a selected trademark feature and its image representation. For example 6 the brand name 42 with a characteristic feature 108 in the form of a phase φ m0 of the radial line 110 with the highest intensity values in the trademark pattern. The corresponding representation 112 in the camera image may advantageously for determining the correspondence between the brand feature 108 and his image representation 112 be used.

Gemäß Schritt 114 werden weitere Ellipsenparameter, wie etwa die Halb-Hauptachse 58, die Halb-Nebenachse 60 und die Ellipsenausrichtung 64, bestimmt. Daraufhin wird die 6-DOF-Pose des ausgewählten Markenexemplars im Raum, wie in Schritt 116 angezeigt wird, wie folgt bestimmt: Wie Fachleuten bekannt ist, kann eine kreisförmige Kontur 38 in einer parametrischen Form wie folgt beschrieben werden: x m ( φ m ) = R cos ( φ m ) ,

Figure DE102017105158A1_0008
wobei φm ein variabler Parameter ist und R der bekannte Radius ist. Daraufhin kann ein ausgewählter Markenpunkt auf der kreisförmigen Kontur 38 wie folgt ausgedrückt werden: x m = R cos ( φ n ) ,
Figure DE102017105158A1_0009
y m = R sin ( φ n ) .
Figure DE102017105158A1_0010
According to step 114 become further ellipse parameters, such as the half-major axis 58 , the half-minor axis 60 and the ellipse orientation 64 , certainly. Then the 6-DOF pose of the selected Brand copy in the room, as in step 116 As is known to those skilled in the art, a circular contour may be indicated 38 in a parametric form are described as follows: x m ( φ m ) = R cos ( φ m ) .
Figure DE102017105158A1_0008
where φ m is a variable parameter and R is the known radius. This will allow a selected marker point on the circular outline 38 expressed as follows: x m = R cos ( φ n ) .
Figure DE102017105158A1_0009
y m = R sin ( φ n ) ,
Figure DE102017105158A1_0010

Gleichermaßen kann die elliptische Repräsentation in parametrischer Form wie folgt beschrieben werden: x 1 ( φ e ) = R x  cos ( φ e ) ,

Figure DE102017105158A1_0011
y 1 ( φ e ) = R y  sin ( φ e ) ,
Figure DE102017105158A1_0012
x e ( φ e ) = x 1 ( φ e ) cos ( θ ) + y 1 ( φ e ) sin ( θ ) + x 0 ,
Figure DE102017105158A1_0013
y e ( φ e ) = x 1 ( φ e ) sin ( θ ) + y 1 ( φ e ) cos ( θ ) + y 0 ,
Figure DE102017105158A1_0014
wobei φe ein variabler Parameter ist und Rx, Ry, x0, y0 und θ Ellipsenparameter sind, die aus dem Kamerabild abgeleitet werden können. Insbesondere ist Rx die Halb-Hauptachse der Ellipse, Ry ist die Halb-Nebenachse der Ellipse, x0, y0 sind die Koeffizienten des Ellipsenmittelpunkts und θ ist ein Koeffizient, der die Ellipsenausrichtung repräsentiert.Similarly, the elliptic representation in parametric form can be described as follows: x 1 ( φ e ) = R x cos ( φ e ) .
Figure DE102017105158A1_0011
y 1 ( φ e ) = R y sin ( φ e ) .
Figure DE102017105158A1_0012
x e ( φ e ) = x 1 ( φ e ) cos ( θ ) + y 1 ( φ e ) sin ( θ ) + x 0 .
Figure DE102017105158A1_0013
y e ( φ e ) = - x 1 ( φ e ) sin ( θ ) + y 1 ( φ e ) cos ( θ ) + y 0 .
Figure DE102017105158A1_0014
where φ e is a variable parameter and R x , R y , x 0 , y 0 and θ are ellipse parameters that can be derived from the camera image. In particular, R x is the semi-major axis of the ellipse, R y is the semi-minor axis of the ellipse, x 0 , y 0 are the coefficients of the ellipse midpoint, and θ is a coefficient representing the ellipse orientation.

Zusätzlich zu diesen fünf Ellipsenparametern wird die Korrespondenz zwischen dem Markenparameter φm0 und dem Ellipsenparameter φe0 auf Basis der Transferfunktion von Schritt 106 bestimmt. Die 6-DOF-Pose des Markenexemplars im Raum kann dann aus den sechs Ellipsenparametern Rx, Ry, x0, y0, θ, φe0 bestimmt werden.In addition to these five ellipse parameters , the correspondence between the brand parameter φ m0 and the ellipse parameter φ e0 is based on the transfer function of step 106 certainly. The 6-DOF pose of the brand copy in space can then be determined from the six ellipse parameters R x , R y , x 0 , y 0 , θ, φ e0 .

Allgemein kann die Beziehung zwischen der 6-DOF-Pose des bekannten Markenexemplars und den Ellipsenparametern wie folgt definiert werden: ( R x ,R y ,x 0 ,y 0 , θ , φ e 0 ) = f ( t x ,t y ,t z , α ) ,

Figure DE102017105158A1_0015
wobei tx, ty, tz die Koordinaten des Markenmittelpunkts im 3D-Raum sind und wobei α, β, γ die Drehwinkel sind, die die Ausrichtung des Markenexemplars im Raum beschreiben. Für ein bestimmtes Markenexemplar mit einem bestimmten Markenbildmuster ist eine Korrespondenz zwischen ausgewählten Punkten xm, ym auf der kreisförmigen Markenkontur 38 und entsprechenden ausgewählten Punkten xe, ye auf der Ellipsenkontur 56 eine Funktion der 6-DOF-Pose der Marke: [ x e ,y e ] = f ( t x ,t y ,t z , α , x m ,y m ) .
Figure DE102017105158A1_0016
In general, the relationship between the 6-DOF pose of the known brand copy and the ellipse parameters can be defined as follows: ( R x , R y , x 0 , y 0 . θ . φ e 0 ) = f ( t x , t y , t z . α , β , γ ) .
Figure DE102017105158A1_0015
where t x , t y , t z are the coordinates of the center of the mark in 3D space and where α, β, γ are the angles of rotation describing the orientation of the mark copy in space. For a particular brand copy having a particular mark pattern, there is a correspondence between selected points x m , y m on the circular mark contour 38 and corresponding selected points x e , y e on the ellipse contour 56 a function of the brand's 6-DOF pose: [ x e , y e ] = f ( t x , t y , t z . α , β , γ . x m , y m ) ,
Figure DE102017105158A1_0016

Unter Verwendung der aus dem Kamerabild abgeleiteten Ellipsenparameter ist es möglich, ein System von Gleichungen zu erstellen, die mehrere Punkte xe, ye auf der Ellipsenkontur 56 mit entsprechenden Punkten xm, ym auf der kreisförmigen Markenkontur 38 in Beziehung setzen. Es gibt sechs unbekannte Markenparameter und zwei Gleichungen für jede Korrespondenz. Durch das Erstellen von Korrespondenzen zwischen drei oder mehr Punkten xe, ye auf der Ellipsenkontur 56 und entsprechenden drei oder mehr Punkten xm, ym auf der kreisförmigen Markenkontur 38 kann daher die 6-DOF-Pose des Markenexemplars bestimmt werden, indem der Satz von Gleichungen gelöst wird. In manchen bevorzugten Ausführungsformen wird der Satz von Gleichungen unter Verwendung eines numerischen Ansatzes gelöst, wie etwa des Levenberg-Marquardt-Ansatzes. Infolgedessen werden die Koordinaten des ausgewählten Exemplarmittelpunktes im Raum und die Drehwinkel des ausgewählten Exemplars im Raum, d.h. seine 6-DOF-Pose im Raum, aus den Ellipsenparametern, die aus dem Kamerabild und den bekannten Markenparametern abgeleitet werden, erhalten. Basierend auf der Kenntnis der 6-DOF-Pose der Marke wird in Schritt 118 dann die 6-DOF-Pose des Ziels bestimmt. Basierend auf der Pose des Ziels wird in Schritt 120 die Pose des Objekts bestimmt.Using the ellipse parameter derived from the camera image, it is possible to create a system of equations having multiple points x e , y e on the elliptical contour 56 with corresponding points x m , y m on the circular brand contour 38 in relation. There are six unknown brand parameters and two equations for each correspondence. By creating correspondences between three or more points x e , y e on the ellipse contour 56 and corresponding three or more points x m , y m on the circular mark contour 38 can therefore determine the 6-DOF pose of the brand copy by solving the set of equations. In some preferred embodiments, the set of equations is solved using a numerical approach, such as the Levenberg-Marquardt approach. As a result, the coordinates of the selected copy center in space and the rotation angles of the selected copy in space, ie, its 6-DOF pose in space, are obtained from the ellipse parameters derived from the camera image and the known mark parameters. Based on the knowledge of the brand's 6-DOF pose will be in step 118 then determine the 6-DOF pose of the target. Based on the pose of the target will be in step 120 determines the pose of the object.

In manchen bevorzugten Ausführungsformen werden zusätzliche Korrespondenzen erstellt, indem der Markenkreismittelpunkt 40, der gemäß 4 als Schnittpunkt 78 bestimmt wird, mit dem Ellipsenmittelpunkt 62 wie vorgehend erwähnt in Beziehung gesetzt werden. Dies hilft dabei, die Genauigkeit zu erhöhen, wie schon zuvor erwähnt wurde.In some preferred embodiments, additional correspondences are created by the mark circle center 40 which according to 4 as an intersection 78 is determined with the ellipse center 62 as previously mentioned be related. This helps to increase the accuracy, as mentioned earlier.

Vorteilhafterweise werden die individuellen Charakteristika jedes in Schritt 49/49' gemessenen Exemplars anstelle seiner jeweiligen nominellen Charakteristika bei der Bildanalyse und -auswertung verwendet. Beispielsweise wird die individuelle Position des entsprechenden Mittelpunkts 62 eines ausgewählten Exemplars anstelle der nominellen Position des entsprechenden Mittelpunkts verwendet. Die individuelle Position kann von der nominellen Position auf der Trägerplatte beispielsweise um 10 µm entlang der x- und y-Achsen abweichen. Die Berücksichtigung der individuellen Position anstelle der nominellen Position hilft, die Genauigkeit der abschließenden Bestimmung der Objektposition zu erhöhen. Gleichermaßen kann anstelle eines nominellen Abstands vorteilhafterweise der gemessene Abstand D verwendet werden, wenn mehr als ein Exemplar gemäß Box 54 evaluiert wird. Eine jede Abweichung von der nominellen Kreisform, wie auf den ausgewählten Exemplaren gemessen, kann in den Schritten 55, 70, 76, 80, 82, 106, 114 und 116 vorteilhafterweise verwendet werden.Advantageously, the individual characteristics become each in step 49 / 49 ' measured copy instead of its respective nominal characteristics in image analysis and evaluation. For example, the individual position of the corresponding center 62 selected item instead of the nominal position of the corresponding center. The individual position may differ from the nominal position on the carrier plate, for example, by 10 μm along the x and y axes. The consideration of the individual position instead of the nominal position helps to increase the accuracy of the final determination of the object position. Similarly, instead of a nominal distance, the measured distance D may advantageously be used if more than one instance is evaluated according to box 54. Any deviation from the nominal circular shape, as measured on the selected specimens, may be in the steps 55 . 70 . 76 . 80 . 82 . 106 . 114 and 116 be used advantageously.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 15/351679 [0001]US 15/351679 [0001]
  • WO 2016/071227 A1 [0004]WO 2016/071227 A1 [0004]
  • WO 2016/071227 [0005]WO 2016/071227 [0005]

Claims (18)

Verfahren zum Bestimmen einer 3D-Position eines Objekts im Raum, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Anordnen eines ersten Exemplars einer ersten künstlichen Marke auf dem Objekt, wobei die erste künstliche Marke ein erstes nominelles Markenmuster mit ersten nominellen Charakteristika definiert und wobei das erste Exemplar das erste nominelle Markenmuster mit ersten individuellen Charakteristika verkörpert, Bereitstellen von mindestens einer Kamera und einem Koordinatensystem bezüglich der mindestens einen Kamera, Bereitstellen eines Datensatzes, der das erste Exemplar repräsentiert, Aufnehmen von mindestens einem Bild des ersten Exemplars, das auf dem Objekt angeordnet ist, unter Verwendung der mindestens einen Kamera, wobei das mindestens eine Bild eine Bildrepräsentation des ersten Markenmusters, wie durch das erste Exemplar verkörpert, beinhaltet, Detektieren und Analysieren der Bildrepräsentation unter Verwendung des Datensatzes, wodurch eine Anzahl von ersten Positionswerten, die eine 3D-Position des ersten Exemplars bezüglich des Koordinatensystems repräsentieren, erzeugt wird, und Bestimmen der 3D-Position des Objekts auf Basis der ersten Positionswerte, wobei der Datensatz erste gemessene Datenwerte umfasst, die die ersten individuellen Charakteristika, wie individuell auf dem ersten Exemplar gemessen, repräsentieren. A method of determining a 3D position of an object in space, the method comprising the steps of: Arranging a first copy of a first artificial mark on the object, the first artificial mark defining a first nominal mark pattern having first nominal characteristics, and the first one representing the first nominal mark pattern having first individual characteristics; Providing at least one camera and a coordinate system with respect to the at least one camera, Providing a record representing the first instance, Capturing at least one image of the first specimen disposed on the object using the at least one camera, the at least one image including an image representation of the first mark pattern as typified by the first specimen; Detecting and analyzing the image representation using the data set, thereby generating a number of first position values representing a 3D position of the first instance with respect to the coordinate system, and Determining the 3D position of the object based on the first position values, wherein the data set comprises first measured data values representing the first individual characteristics as measured individually on the first copy. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste nominelle Markenmuster eine erste laterale Abmessung definiert und wobei die ersten gemessenen Datenwerte die erste laterale Abmessung, wie individuell auf dem ersten Exemplar gemessen, repräsentieren.Method according to Claim 1 wherein the first nominal mark pattern defines a first lateral dimension, and wherein the first measured data values represent the first lateral dimension as measured individually on the first specimen. Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit einem Schritt des Anordnens eines zweiten Exemplars einer zweiten künstlichen Marke auf dem Objekt, wobei die zweite künstliche Marke ein zweites nominelles Markenmuster mit zweiten nominellen Charakteristika definiert und wobei das zweite Exemplar das zweite nominelle Muster mit zweiten individuellen Charakteristika verkörpert.Method according to Claim 1 and further comprising a step of placing a second instance of a second artificial mark on the object, the second artificial mark defining a second nominal mark pattern having second nominal characteristics, and wherein the second instance represents the second nominal pattern having second individual characteristics. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das erste nominelle Markenmuster einen ersten Mittelpunkt definiert, wobei das zweite nominelle Markenmuster einen zweiten Mittelpunkt definiert, und wobei die ersten gemessenen Datenwerte ferner eine Position des ersten Mittelpunkts bezüglich des zweiten Mittelpunkts, wie individuell auf dem ersten und dem zweiten Exemplar gemessen, repräsentieren.Method according to Claim 3 wherein the first nominal mark pattern defines a first center, wherein the second nominal mark pattern defines a second center, and wherein the first measured data further represents a position of the first center with respect to the second center, as measured individually on the first and second copies , Verfahren nach Anspruch 3, wobei das erste Exemplar und das zweite Exemplar fest auf einer gemeinsamen Trägerplatte angeordnet sind.Method according to Claim 3 , wherein the first copy and the second copy are fixedly arranged on a common carrier plate. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Trägerplatte mehrere weitere Exemplare von weiteren künstlichen Marken aufweist, und wobei das erste Exemplar, das zweite Exemplar und die mehreren weiteren Exemplare ein definiertes Zielplattenmuster auf der gemeinsamen Trägerplatte bilden.Method according to Claim 5 wherein the backing plate comprises a plurality of further specimens of further artificial marks, and wherein the first specimen, the second specimen and the plurality of further specimens form a defined target plate pattern on the common carrier plate. Verfahren nach Anspruch 3, wobei sich das erste nominelle Markenmuster und das zweite nominelle Markenmuster voneinander unterscheiden.Method according to Claim 3 , where the first nominal trademark and the second nominal trademark are different. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste nominelle Markenmuster eine erste kreisförmige Kontur mit einem Kreisradius und einem Kreismittelpunkt aufweist und wobei die ersten individuellen Charakteristika den Kreisradius und eine Position des Kreismittelpunkts, wie individuell auf dem ersten Exemplar gemessen, beinhalten.Method according to Claim 1 wherein the first nominal mark pattern includes a first circular contour having a circle radius and a circle center, and wherein the first individual characteristics include the circle radius and a position of the circle center point as individually measured on the first piece. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das erste nominelle Markenmuster ein Intensitätsprofil beinhaltet, das im Wesentlichen kontinuierlich entlang eines kreisförmigen Pfads um den Kreismittelpunkt herum variiert, und wobei das Intensitätsprofil ein erstes charakteristisches Merkmal als Teil der ersten nominellen Charakteristika definiert.Method according to Claim 8 wherein the first nominal mark pattern includes an intensity profile that varies substantially continuously along a circular path around the center of the circle, and wherein the intensity profile defines a first characteristic as part of the first nominal characteristics. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Intensitätsprofil entlang eines beliebigen radialen Pfads, der am Kreismittelpunkt anfängt und sich vom Kreismittelpunkt radial nach außen entlang eines definierten Abstands erstreckt, konstant ist.Method according to Claim 9 wherein the intensity profile is constant along an arbitrary radial path beginning at the center of the circle and extending radially outward from the center of the circle along a defined distance. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das erste nominelle Markenmuster ein Intensitätsprofil aufweist, das gemäß einer Funktion variiert, die aus einer Linearkombination einer begrenzten Anzahl von sinusförmigen Komponenten entlang eines kreisförmigen Pfads um den Kreismittelpunkt herum resultiert. Method according to Claim 8 wherein the first nominal mark pattern has an intensity profile that varies according to a function resulting from a linear combination of a limited number of sinusoidal components along a circular path around the center of the circle. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bildrepräsentation eine perspektivische Verzerrung des ersten Exemplars infolge eines im Allgemeinen nicht orthogonalen Blickwinkels der mindestens einen Kamera bezüglich des ersten Exemplars aufweist und wobei der Schritt des Erzeugens einer Anzahl von ersten Positionswerten ein Bestimmen einer Korrespondenz zwischen dem ersten nominellen Markenmuster, wie durch das erste Exemplar verkörpert, und der perspektivischen Verzerrung beinhaltet.Method according to Claim 1 wherein the image representation comprises a perspective distortion of the first specimen due to a generally non-orthogonal viewing angle of the at least one camera relative to the first specimen, and wherein the step of generating a plurality of first position values comprises determining a correspondence between the first nominal mark pattern as determined by the first nominal mark embodied first copy, and the perspective distortion includes. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Erzeugens einer Anzahl von ersten Positionswerten ein Bestimmen einer 6-DOF-Pose des ersten Exemplars bezüglich des Koordinatensystems beinhaltet.Method according to Claim 1 wherein the step of generating a number of first position values includes determining a 6-DOF pose of the first instance with respect to the coordinate system. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Bereitstellens des Datensatzes einen Schritt des individuellen Messens des ersten Exemplars vor dem Anordnen des ersten Exemplars auf dem Objekt beinhaltet.Method according to Claim 1 wherein the step of providing the record includes a step of individually measuring the first specimen prior to placing the first specimen on the object. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Bereitstellens des Datensatzes einen Schritt des individuellen Messens des ersten Exemplars nach dem Anordnen des ersten Exemplars auf dem Objekt beinhaltet.Method according to Claim 1 wherein the step of providing the record includes a step of individually measuring the first copy after arranging the first copy on the object. Verfahren zum Bestimmen einer 3D-Position eines Objekts im Raum, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Ausstatten des Objekts mit einem optischen Verfolgungsziel, das ein erstes Exemplar einer ersten künstlichen Marke und ein zweites Exemplar einer zweiten künstlichen Marke aufweist, wobei das erste Exemplar ein erstes Markenmuster mit ersten individuellen Charakteristika aufweist und wobei das zweite Exemplar ein zweites Markenmuster mit zweiten individuellen Charakteristika aufweist, Bereitstellen von mindestens einer Kamera und einem Koordinatensystem bezüglich der mindestens einen Kamera, Bereitstellen eines Datensatzes, der das erste Exemplar und das zweite Exemplar repräsentiert, Aufnehmen von mindestens einem Bild des optischen Verfolgungsziels auf dem Objekt unter Verwendung der mindestens einen Kamera, wobei das mindestens eine Bild eine Bildrepräsentation des ersten und des zweiten Exemplars beinhaltet, Detektieren und Analysieren der Bildrepräsentation unter Verwendung des Datensatzes, wobei eine Anzahl von Zielpositionswerten, die eine 3D-Position des optischen Verfolgungsziels bezüglich des Koordinatensystems repräsentieren, erzeugt wird, und Bestimmen der 3D-Position des Objekts auf Basis der Zielpositionswerte, wobei der Datensatz erste gemessene Datenwerte beinhaltet, die zumindest manche der ersten individuellen Charakteristika, wie individuell auf dem ersten Exemplar gemessen, repräsentieren, und zweite gemessene Datenwerte beinhaltet, die zumindest manche der zweiten individuellen Charakteristika, wie individuell auf dem zweiten Exemplar gemessen, repräsentieren.A method of determining a 3D position of an object in space, the method comprising the steps of: Providing the object with an optical tracking target comprising a first copy of a first artificial tag and a second copy of a second artificial tag, the first copy having a first tag pattern with first individual characteristics, and the second copy a second tag pattern having second individual characteristics having, Providing at least one camera and a coordinate system with respect to the at least one camera, Providing a record representing the first copy and the second copy Capturing at least one image of the optical tracking target on the object using the at least one camera, the at least one image including an image representation of the first and second instances; Detecting and analyzing the image representation using the data set, wherein a number of target position values representing a 3D position of the optical tracking target with respect to the coordinate system are generated, and Determining the 3D position of the object based on the target position values, wherein the data set includes first measured data values representing at least some of the first individual characteristics as measured individually on the first copy and including second measured data values representing at least some of the second individual characteristics as measured individually on the second copy. System zum Bestimmen einer 3D-Position eines Objekts im Raum, wobei das System Folgendes aufweist: ein erstes Exemplar einer ersten künstlichen Marke, die dazu ausgebildet ist, auf dem Objekt angeordnet zu werden, wobei die erste künstliche Marke ein erstes nominelles Markenmuster mit ersten nominellen Charakteristika definiert und wobei das erste Exemplar das erste nominelle Markenmuster mit ersten individuellen Charakteristika verkörpert, mindestens eine Kamera, ein Koordinatensystem, das bezüglich der mindestens einen Kamera definiert ist, und eine Steuer- und Auswerteeinheit mit einem Prozessor und einem Datenspeicher, wobei der Speicher einen Datensatz, der das erste Exemplar repräsentiert, speichert, wobei der Prozessor dazu programmiert ist, mindestens ein Bild des ersten Exemplars, das auf dem Objekt angeordnet ist, unter Verwendung der mindestens einen Kamera aufzunehmen, wobei das mindestens eine Bild eine Bildrepräsentation des ersten Markenmusters, wie durch das erste Exemplar verkörpert, beinhaltet, wobei der Prozessor ferner dazu programmiert ist, die Bildrepräsentation unter Verwendung des Datensatzes aus dem Speicher zu detektieren und zu analysieren, wobei eine Anzahl von ersten Positionswerten, die eine 3D-Position des ersten Exemplars bezüglich des Koordinatensystems repräsentieren, erzeugt wird, und wobei der Prozessor ferner dazu programmiert ist, die 3D-Position des Objekts auf Basis der ersten Positionswerte zu bestimmen, wobei der Datensatz erste gemessene Datenwerte beinhaltet, die die ersten individuellen Charakteristika, wie individuell auf dem ersten Exemplar gemessen, repräsentieren.A system for determining a 3D position of an object in space, the system comprising: a first specimen of a first artificial mark adapted to be disposed on the object, the first artificial mark defining a first nominal mark pattern having first nominal characteristics, and the first specimen embodying the first nominal mark pattern having first individual characteristics; at least one camera, a coordinate system defined with respect to the at least one camera, and a control and evaluation unit with a processor and a data memory, wherein the memory stores a record representing the first copy, wherein the processor is programmed to capture at least one image of the first specimen disposed on the object using the at least one camera, the at least one image including an image representation of the first mark pattern as typified by the first specimen, wherein the processor is further programmed to detect and analyze the image representation using the data set from the memory, wherein a number of first position values representing a 3D position of the first instance with respect to the coordinate system are generated, and wherein the processor is further programmed to determine the 3D position of the object based on the first position values. wherein the data set includes first measured data values representing the first individual characteristics as measured individually on the first copy. Computerprogrammprodukt, das einen nicht flüchtigen Datenträger umfasst, der Programmcode speichert, der zum Durchführen der folgenden Schritte ausgebildet ist, wenn er auf einem Prozessor einer Steuer- und Auswerteeinheit, die mit mindestens einer Kamera verbunden ist, ausgeführt wird, um eine 3D-Position eines Objekts im Raum zu bestimmen, wobei das Objekt mit einem ersten Exemplar einer ersten künstlichen Marke ausgestattet ist, wobei die erste künstliche Marke ein erstes nominelles Markenmuster mit ersten nominellen Charakteristika definiert und wobei das erste Exemplar das erste nominelle Markenmuster mit ersten individuellen Charakteristika verkörpert: Definieren eines Koordinatensystems bezüglich der mindestens einen Kamera, Aufnehmen von mindestens einem Bild eines ersten Exemplars, das auf dem Objekt angeordnet ist, unter Verwendung der mindestens einen Kamera, wobei das mindestens eine Bild eine Bildrepräsentation des ersten Markenmusters, wie durch das erste Exemplar verkörpert, umfasst, Abrufen eines Datensatzes, der das erste Exemplar repräsentiert, aus einem Speicher der Steuer- und Auswerteeinheit, Detektieren und Analysieren der Bildrepräsentation unter Verwendung des Datensatzes, wodurch eine Anzahl von ersten Positionswerten, die eine 3D-Position des ersten Exemplars bezüglich des Koordinatensystems repräsentieren, erzeugt wird, und Bestimmen der 3D-Position des Objekts auf Basis der ersten Positionswerte, wobei der Datensatz erste gemessene Datenwerte umfasst, die die ersten individuellen Charakteristika, wie individuell auf dem ersten Exemplar gemessen, repräsentieren. A computer program product comprising a nonvolatile data carrier storing program code adapted to perform the following steps, when executed on a processor of a control and evaluation unit connected to at least one camera, for a 3D position of a computer Object in space, the object being provided with a first copy of a first artificial tag, the first artificial tag defining a first nominal tag pattern having first nominal characteristics and the first copy representing the first nominal tag pattern having first individual characteristics: defining a coordinate system relative to the at least one camera, capturing at least one image of a first specimen disposed on the object using the at least one camera, the at least one image comprising an image representation of the first mark pattern, as by the first specimen r, retrieving a data set representing the first instance from a memory of the control and evaluation unit, detecting and analyzing the image representation using the data set, thereby obtaining a number of first position values representing a 3D position of the first instance of the coordinate system, and determining the 3D position of the object based on the first position values, the data set including first measured data values representing the first individual characteristics as measured individually on the first specimen.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020190981A1 (en) * 2019-03-18 2020-09-24 John Lindsay System and process for mobile object tracking
US11291507B2 (en) 2018-07-16 2022-04-05 Mako Surgical Corp. System and method for image based registration and calibration
DE102020214248A1 (en) 2020-11-12 2022-05-12 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Method for providing deformation data for a deformation analysis, method for controlling a deformation analysis, method for producing at least one predefined point-symmetrical area and device
CN114469343A (en) * 2019-10-31 2022-05-13 武汉联影智融医疗科技有限公司 Calibration piece, surgical navigation coordinate system registration system, method, device and medium
CN116687569A (en) * 2023-07-28 2023-09-05 深圳卡尔文科技有限公司 Coded identification operation navigation method, system and storage medium

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11291507B2 (en) 2018-07-16 2022-04-05 Mako Surgical Corp. System and method for image based registration and calibration
US11806090B2 (en) 2018-07-16 2023-11-07 Mako Surgical Corp. System and method for image based registration and calibration
DE102019004235B4 (en) 2018-07-16 2024-01-18 Mako Surgical Corp. SYSTEM AND METHOD FOR IMAGE-BASED REGISTRATION AND CALIBRATION
WO2020190981A1 (en) * 2019-03-18 2020-09-24 John Lindsay System and process for mobile object tracking
US11094077B2 (en) 2019-03-18 2021-08-17 John Lindsay System and process for mobile object tracking
CN114469343A (en) * 2019-10-31 2022-05-13 武汉联影智融医疗科技有限公司 Calibration piece, surgical navigation coordinate system registration system, method, device and medium
CN114469343B (en) * 2019-10-31 2023-06-23 武汉联影智融医疗科技有限公司 Calibration piece, surgical navigation coordinate system registration system, method, equipment and medium
DE102020214248A1 (en) 2020-11-12 2022-05-12 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Method for providing deformation data for a deformation analysis, method for controlling a deformation analysis, method for producing at least one predefined point-symmetrical area and device
CN116687569A (en) * 2023-07-28 2023-09-05 深圳卡尔文科技有限公司 Coded identification operation navigation method, system and storage medium
CN116687569B (en) * 2023-07-28 2023-10-03 深圳卡尔文科技有限公司 Coded identification operation navigation method, system and storage medium

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